아마도 많은 사람들이 ‘슈뢰딩거의 고양이’란 이름을 들어본 적이 있을 겁니다. 영화, 소설 등 많은 대중매체에서 슈뢰딩거의 고양이를 논리에 어긋나는 말을 비꼬기 위해 사용하기도 하고, 특히 양자역학과 관련한 이야기가 나오면 절대 빠지지 않는 것이 바로 슈뢰딩거의 고양이입니다. 양자역학이 무엇인지, 슈뢰딩거가 어떤 사람인지도 모르며 그의 고양이만 알고 있는 사람이 생길 정도로 슈뢰딩거의 고양이는 유명세를 타게 되었습니다. 그러나 정작 슈뢰딩거의 고양이가 정확히 무엇인지 모르는 사람들이 많습니다. 이러한 분들을 위해 이번 기사에서는 슈뢰딩거의 고양이의 모든 것에 대해 설명해드리고자 합니다.
슈뢰딩거의 고양이가 등장하게 된 이유
‘양자역학’하면 많은 사람들이 가장 먼저 떠올리는 것이 ‘슈뢰딩거의 고양이’기 때문에 슈뢰딩거의 고양이가 양자역학을 설명하기 위해 생겨났을 것이라 생각하는 경우가 있습니다. 그러나 슈뢰딩거의 고양이는 정반대의 목적, 즉 양자역학을 비판하기 위해 고안되었습니다. 당시 닐스 보어 등 코펜하겐 대학에 있는 몇몇의 물리학자들이 양자역학에 대한 주요 해석인 ‘코펜하겐 해석’을 발표하였으나 이 내용에 동의를 할 수 없었던 과학자들이 있었습니다. 특히 아인슈타인과 슈뢰딩거는 코펜하겐 해석에 대한 반박을 위해 오랫동안 편지를 주고받으며 의견을 교환하였고, 이 과정에서 등장한 사고 실험들 중 하나가 바로 슈뢰딩거의 고양이입니다. 양자역학의 불완전성을 보이며 그 내용을 반박하기 위해 고안된 것이 바로 이 사고 실험입니다.
슈뢰딩거의 고양이란 무엇일까?
이제 슈뢰딩거의 고양이가 어떤 사고 실험인지에 대해 알아보도록 하겠습니다. 내부를 볼 수 없는 상자 안에 고양이 한 마리와 청산가리가 들어있는 병, 가이거 계수관 (방사선을 측정할 수 있는 관)과 연결된 망치, 우라늄 입자가 들어있습니다.
우라늄 입자가 붕괴하여 방사선이 가이거 계수관에 감지되면 망치가 움직여 병을 깨게 되고 이 경우 새어나온 청산가리로 인해 고양이는 죽게 됩니다. 우라늄 입자가 1시간에 50%의 확률로 핵붕괴를 일으킨다고 가정하였을 때 1시간 후 고양이가 존재하는 상태에 대해 알아보는 것이 이 사고 실험의 목적입니다.
실제 세계에서 이 실험이 진행된다고 생각해보면 1시간 후 고양이의 상태는 무조건 살아있거나 죽은 것 둘 중 한 가지로 정해지게 됩니다. 다만 상자를 열어 내부를 확인하기 전까지는 정확한 결과를 알 수 없을 뿐입니다. 그러나 이 실험을 양자역학적인 관점에서 생각해보면 1시간 후의 고양이는 삶과 죽음이 공존하는 상태, 즉 살아있으면서도 죽어있는 상태로 존재한다는 결과가 나오게 됩니다.
코펜하겐 해석
위의 사고 실험에서 삶과 죽음이 동시에 존재한다는 모순된 결론을 나오게 한 이론이 바로 코펜하겐 해석입니다. 코펜하겐 해석에서는 모든 계에 대한 정보를 실험을 통해 측정할 수 있는 값들을 이용하여 파동 함수로 변환해 생각합니다. 이때 특정 물리량을 측정하기 전까진 해당 물리량을 확정지을 수 없고, 관측가능한 물리량을 측정하는 순간 파동 함수가 붕괴하며 특정한 값으로 물리량이 결정됩니다. 양자역학에서는 어떤 물리량을 특정할 때 해당 물리량이 가질 수 있는 값의 가능성을 확률로 나타낼 수 있으며, 파동 함수의 특성상 이 확률들은 중첩이 가능하여 파동 함수의 붕괴가 일어나기 전 해당 물리량은 발생 가능한 모든 결과값들이 특정 확률만큼 중첩되어 있는 상태로 존재한다고 가정할 수 있습니다.
이 내용을 슈뢰딩거의 사고 실험에 적용시켜보면 1시간이 지난 후 원소가 붕괴될 확률이 50%이므로 고양이가 죽을 확률과 살아있을 확률 모두 50%가 되고, 결국 고양이는 상자의 뚜껑을 열기 전까지 삶과 죽음이 중첩된 상태라고 볼 수 있습니다. 상자를 여는 순간 파동 함수가 붕괴되며 고양이의 상태가 ‘죽음‘ 또는 ’삶‘의 한 가지 상태로 결정됩니다.
어째서 이런 이론이 나오게 된 것일까?
그러나 실제 세계에서는 죽어있으면서도 살아있는 고양이가 절대 존재할 수 없고, 이는 불가능한 내용을 담고 있는 양자역학의 탄생에 대한 궁금증을 불러일으킵니다. 결론부터 얘기하자면 양자역학은 자연에서 일어나는 현상을 설명하기 위해 만들어지게 되었습니다. 일부 현상들이 양자역학 외의 내용으로는 설명되지 않았기 때문입니다. 대표적으로 이중 슬릿 실험에서 나타나는 간섭 무늬를 예로 들 수 있습니다.
위의 그림에서처럼 감광판(전자를 감지할 수 있는 판) 앞에 이중 슬릿을 설치하고, 전자 발사기를 통해 한 번에 하나의 전자를 쏘아줍니다. 이때 감광판에는 여러 줄의 선으로 된 다중 간섭 무늬가 나타나게 됩니다. 이 실험 결과에서 이상한 점은 하나의 전자만으로 간섭 무늬가 일어났다는 점입니다. 간섭이 일어나기 위해서는 두 슬릿을 통과한 파동이 각각 존재해야 하므로 최소한 두 개 이상의 전자가 필요합니다. 그러나 전자는 단일 입자로 더 이상 쪼개질 수 없습니다. 결국 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 각각 따로 통과하였고, 동일한 시간에 동일한 전자가 서로 다른 위치에 존재했다는 결론에 도달할 수 있습니다. 이를 바탕으로 과학자들은 전자가 확률적으로 존재가능한 모든 위치에 동시에 존재한다는 생각을 하게 되었고, 이는 양자역학의 시작이자 근거가 되었습니다.
슈뢰딩거의 고양이에 대한 또다른 해석
이후 위에서 설명한 코펜하겐 해석보다 좀 더 논리적으로 슈뢰딩거의 고양이를 해석하는 이론이 제시되었습니다. 바로 ’다세계 해석‘으로, 특정 사건이 일어날 수 있는 경우에 대한 각각의 세계가 모두 존재한다는 이론입니다. 여기서 파동 함수는 특정 세계로 진입할 확률을 나타냅니다. 이 이론에 의하면 파동 함수의 붕괴는 실제로 일어나지 않으며, 관측을 하는 순간 여러 결과를 지닌 세계들 중 하나의 세계로 진입하기 때문에 파동함수가 붕괴하는 것처럼 보인다고 합니다. 결국 슈뢰딩거의 고양이도 1시간 후 고양이가 살아있는 세계와 고양이가 죽어있는 세계가 모두 존재하나 우리가 상자의 뚜껑을 여는 순간 두 세계중 하나의 세계로 진입하게 되며 고양이가 살아있거나 죽어있는 상태 하나로 결정되는 것입니다. 이 이론은 논리적으로는 문제가 없으나 현재로서는 여러 세계의 존재성을 입증할 방법이 없기 때문에 과학적 사실이 아닌 그저 가설로 받아들여지고 있습니다.
슈뢰딩거의 고양이 외에도 양자역학에 대한 반박과 문제점은 여전히 과학자들 사이에서 자주 논쟁의 주제가 되고는 합니다. 그러나 저는 오히려 양자역학의 불완전성이 사람들을 이 분야에 매료시켜 탐구하도록 만드는 것이라 생각합니다. 위에서 설명한 내용이나 양자역학에 대해 더 알아보고 싶은 분들은 다음 동영상을 시청하면 더욱 많은 지식을 얻어갈 수 있을 것입니다.
https://www.youtube.com/watch?v=39pGNND9ue4
*슈뢰딩거의 고양이 설명에 관한 영상
https://www.youtube.com/watch?v=0MT1rRvXcVU&list=PLvGscpTLT8IeI6sD_Z3r0T3mAJ-ah9mSC&index=3
*양자역학의 불확정성에 관한 영상
<참고자료>
[1] brunch – 슈뢰딩거는 왜 고양이를 얘기하였나?
https://brunch.co.kr/@ojun/26
[2] kias - 슈뢰딩거의 고양이(Schrodinger's cat)와 빛의 고양이 상태(Optical cat state)의 구현
http://www.kias.re.kr/etc_img/bbs_file/KN_2011_44/KN_2011_44_32.pdf
[3] e4ds news – 코펜하겐 해석, 양자역학을 설명하다
https://www.e4ds.com/sub_view.asp?ch=22&t=1&idx=9520
[4] 화학공학소재연구정보센터 – 양자역학 개론
https://www.cheric.org/files/education/cyberlecture/e201001/e201001-1901.pdf
[5] 불확정성 원리
http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/modern/wave_particle/uncertainty/uncertainty.html
[6] 한국물리학회 – 양자 역학의 형성과 학문적 스타일의 문제
https://www.kps.or.kr/141024
[7] 동아사이언스 – 두 얼굴의 양자역학
http://dongascience.donga.com/news.php?idx=5820
[8] INJURYTIME – 코펜하겐 해석의 비판과 대안 1. 다세계 해석
http://www.injurytime.kr/news/articleView.html?idxno=4724
[9] 동아사이언스 – 우주는 무한대
http://dongascience.donga.com/news.php?idx=6281
<이미지>
[1] https://www.fmkorea.com/2193023193
[2] https://steemit.com/kr-science/@yoon/6
<동영상>
[1] https://www.youtube.com/watch?v=39pGNND9ue4
[2] https://www.youtube.com/watch?v=0MT1rRvXcVU&list=PLvGscpTLT8IeI6sD_Z3r
0T3mAJ-ah9mSC&index=3
Physics 학생기자 서해린
2019년 겨울호
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