슈뢰딩거의 고양이 Schrödinger's cat

양자역학의 불완전을 증명하기 위한 사고 실험 '슈뢰딩거의 고양이[Schrödinger's cat]'

몇일전 범죄수사물 미드를 보다가 슈뢰딩거의 고양이에 대해 나오더군요. 슈뢰딩거의 고양이에 대해 들어본 적은 있지만 자세하게는 모르고 있었는데 그 핑계로 궁금증을 해결하기 위한 포스팅을 하려고 합니다. 슈뢰딩거의 고양이가 뜻하는 것을 무엇일까요? 이번엔 슈뢰딩거의 고양이 뜻을 알아보는 포스팅입니다.

 

이미지출처- pixabay

 

슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 코펜하겐 해석을 비판하기 위하여 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거(E. Schrödinger, 1887-1961) 가 설명한 이론으로 1935년 고안한 사고실험입니다. 밀폐된 상자 속에 독극물과 함께 있는 고양이의 생존 여부를 이용하여 양자역학의 원리를 설명한 것입니다. 상자 속 고양이의 생존여부는 그 상자를 열어서 관찰하는 여부에 의해 결정되므로 관측행위가 결과에 영향을 미친다는 사실을 이 사고실험을 통해 설명하고 있습니다.

슈뢰딩거는 오스트리아의 물리학자로 양자역학을 서술하는 네 가지 방법 중 가장 기초적이고 최초의 방정식을 고안해 낸 사람입니다. 슈뢰딩거는 말년에 과학철학을 공부했는데 그가 내세운 슈뢰딩거의 고양이는 만약 양자법칙이 거시세계에까지 확장된다면 어떻게 될까를 보여줍니다.

 

▣ 방사성 물질과 함께 상자 속에 들어 있는 고양이

양자물리학의 핵심이 되는 방정식인 슈뢰딩거 방정식을 제안한 슈뢰딩거는 양자역학에 대한 코펜하겐 해석을 받아들이지 않았습니다. 그는 코펜하겐 해석을 반박하기 위해 슈뢰딩거 고양이라는 사고실험을 제안했습니다. 고양이가 반감기가 한 시간인 방사성 물질과 함께 상자 속에 들어 있습니다. 만약 방사성 물질이 붕괴하면 고양이는 죽고 붕괴하지 않으면 고양이는 살아 있습니다. 그렇다면 한 시간 후 고양이의 상태는 어떻게 나타낼 수 있을까?

코펜하겐 해석에서는 측정과 물리량은 불가분의 관계에 있다고 주장했습니다. 다시 말해 물리량은 측정과 관계없이 독립적으로 존재하는 양이 아니라는 것입니다. 이 해석이 옳다면 상자 속의 고양이는 측정하기 전까지 살아 있는 상태도 죽어 있는 상태도 아니며 측정하는 순간 살아 있거나 죽은 상태로 확정되어야 합니다. 슈뢰딩거는 상자 안에 들어 있는 고양이는 우리의 관측과는 관계없이 살아 있거나 죽은 상태이며 측정은 그런 사실을 확인할 뿐이라고 주장하면서 코펜하겐 해석을 반대했습니다.

슈뢰딩거의 고양이 사고실험

 

▣ 고양이가 반은 죽었고 반은 살아 있는 상태에 있을 수 있을까?

양자이론에서 중요한 것은 수학적으로 방정식의 해를 구하는 것이 아니라 구한 방정식의 해가 실제로 어떤 의미를 가지는지 해석하는 일입니다. 코펜하겐 해석의 등장은 이런 해석의 중요성을 잘 나타내고 있습니다. 양자역학에 대한 코펜하겐 해석에서는 모든 물리량은 측정과 관계없는 독립적인 양이 아니며 측정에 의해 특정한 값으로 확정된다고 주장했습니다.

방사성 원소의 반감기가 1시간이라면 고양이가 1시간 안에 죽을 확률은 2분의 1입니다. 물론 살아 있을 확률도 2분의 1입니다. 상자를 열어 관측을 하기 전까지는 1시간 후에 고양이가 살아 있는지 죽었는지 알 수 없습니다. 다만 고양이의 상태는 살아 있는 것을 나타내는 확률파와 죽은 상태를 나타내는 확률파의 중첩으로 나타낼 수 있을 뿐입니다. 다시 말해 2분의 1은 살아 있고 2분의 1은 죽은 상태로 기술할 수밖에 없습니다.

그러나 어떤 사람이 상자를 열고 고양이의 상태를 확인하는 순간 고양이는 이런 확률적인 상태에서 살았거나 죽은 하나의 상태로 결정됩니다. 코펜하겐 해석에 의하면 관측하기 전까지 고양이는 실제로 반은 죽고 반은 살아 있는 상태에 있다가 측정이라는 행위의 영향을 받아 죽거나 살아 있는 상태 중 하나의 상태로 확정된다는 것입니다.

슈뢰딩거는 그런 일은 있을 수 없다고 주장했습니다. 우리가 측정하거나 측정하지 않거나 관계없이 고양이는 죽었거나 살아 있어야 한다는 것입니다. 다만 측정하기 전까지 우리가 고양이의 상태를 모를 뿐이라는 것입니다. 슈뢰딩거는 객관적인 상태가 존재하는 고양이의 상태를 이렇게 잘못 기술하게 된 것은 고양이의 문제가 아니라 양자물리학의 문제라고 지적했습니다.

양자물리학에 대한 코펜하겐의 확률적 해석은 슈뢰딩거가 지적한 대로 고양이와 같은 거시적인 물체에는 적용되지 않는 것이 확실합니다. 그러나 전자와 같이 미시의 세계에서는 코펜하겐의 해석이 잘 적용된다는 것이 여러 실험을 통해 밝혀졌습니다.

pixabay

 

▣ 예측할 수 없는 미래

사고실험에서 알파입자는 미시세계의 것이고 양자역학으로 서술됩니다. 그것이 거시세계의 고양이를 죽이느냐 살리느냐의 기로에 놓여 있는 것입니다. 각 물리학적 입장에 따라 고양이가 죽었을까 살았을까에 대한 답변은 다릅니다. 고전역학자들은 실재론자들이며 우리가 그것을 확인하든 안 하든 고양이는 죽었거나 안 죽었거나입니다.
1시간 후의 일은 어떻게든 결정되어 있으며 그것은 관찰과 무관하다고 주장할 것입니다. 하지만 양자론자들은 관측에 지배받는다고 이야기합니다. 고양이는 죽었거나 살았거나이고 우리가 그것을 열어봤을 때에만 의미를 지닙니다. 즉, 그것의 결과는 관측에 의존합니다. 하나는 결정론적인 사고를 기초로 하고 있으며 다른 하나는 비결정론적인 사고를 취하고 있습니다. 이처럼 슈뢰딩거 고양이 사고실험은 양자 물리학에서 관측행위가 무엇을 의미하는지를 생각하게 되는 계기가 되었습니다.

이외에도 가능세계론과 통계적 입장이 있습니다. 가능세계론은 기본적으로 확률에 의한 세계관을 받아들입니다. 그들에 의하면 상자를 여는 순간 세계는 고양이가 죽은 세계와 죽지 않은 세계의 두 갈래로 나뉩니다. 통계적 입장 역시 확률론을 받아들입니다. 만약 어떤 이가 여러번 이 실험을 반복한다면 어떤 통계적인 값에 이르게 될 것입니다. 그것이 바로 고양이가 죽을 확률이라는 것입니다.

이 논쟁은 양자역학의 기초를 다져 오늘날 톱쿼크와 같은 물질 기본단위 연구의 길을 트는 동시에 철학사상에도 지대한 영향을 미쳤습니다. 슈뢰딩거, 막스 보른, 오토 한 등 양자역학을 설명한 독일 괴팅겐대학교 교수들은 통근기차 속 토론에서 이런 복잡하고 심오한 이론체계를 확립했다고 합니다.