슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)

 '슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)'는 오스트리아의 물리학자 '에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger, 1887~1961)'가 고안한 역설로, '양자론(quantum theory)'과 관련되어 있다. 따라서 이를 이해하기 위해서는, 먼저 양자론에 대해서 알아야 한다. 양자론은 '미시 세계(micro world)'의 물질의 움직임을 설명하는 이론이다. 원자 같은 미시 입자는 우리의 상식과는 다른 움직임을 가진다.

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0. 목차

1. 양자론
2. 슈뢰딩거의 고양이
3. 해석

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1. 양자론

1-1. 전자는 파동이자 입자

 전자가 파동의 성질을 갖는다고 하면 의외라고 생각될 수도 있겠지만, 전자가 파동의 성질을 가지고 있다는 사실을 인정할 수밖에 없는 증거들이 많이 있다. 그중 가장 유명한 것이 '전자의 이중 슬릿 실험'이다. '전자의 이중 슬릿 실험'에서는 '전자총(electron beam gun)'에서 전자를 1개씩 여러 차례 발사한다. 그리고 '전자(elctron)'가 '스크린(screen)'에 도달하면, 그 궤적이 기록된다. 전자총과 스크린 사이에는 '2개의 슬릿(double-slit)'이 있는 판이 놓여 있다.

 만약 전자가 단순한 입자라면, 전자총과 각 슬릿의 연잔성상에 있는 스크린의 주변에만 전자의 흔적이 남아야 한다. 하지만 실제로는 스크린에 '간섭무늬(interference pattern)'라는 줄무늬가 생긴다. 이 결과는 전자가 파동의 성질을 가지지 않는다면 설명할 수 없다. 또 전자가 1회 발사될 때마다 스크린에 남는 흔적은 하나의 점이므로, 전자는 입자의 성질도 동시에 가지고 있음을 알 수 있다. 이처럼 전자 등의 미시 입자는 파동 같은 성질을 가지고 있지만, 입자 같은 성질도 함께 가지고 있다.

1-2. 코펜하겐 해석

 양자론에 따르면, 전자 등의 미시 물질은 '복수의 상태가 공존한 상태'를 취할 수 있다. 이것은 가상적인 작은 상자 안에 있는 전자가 중앙에 있는 칸막이의 왼쪽에 있는 상태와 오른쪽에 있는 상태가 공존하는 것과 같다. 그리고 복수의 상태가 공존한 전자를 '관측'하면 전자는 어느 하나의 상태로 발견된다.

 이 현상을 어떻게 받아들이면 좋을까? 많은 연구자가 이에 대한 해석을 제안해왔다. 그중 가장 일반적인 해석인 '코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)'에서는, 관측을 하면 확대된 '파동이 수축되어(파동이 붕괴되어)', 입자로써 모습을 드러낸다고 생각한다. 전자의 파동은 스크린에 도달하기 직전까지 스크린 가득 퍼져 있었지만, 스크린에 도달하면 파동의 수축으로 인해 하나의 점으로 발견된다. 파동의 다른 성분은 사라진다. 그리고 입자가 어디서 관찰될지는 확률적으로만 예측할 수 있다.

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2. 슈뢰딩거의 고양이

 양자론의 '코펜하겐 해석'에서는 전자 등의 미시 입자는 관측에 의해 '파동이 수축되어(파동이 붕괴되어)' 전자로서 모습을 나타낸다고 한다. 이에 대해 '관측 장치도 원자로 되어 있으므로 양자론을 적용하면, 관측 장치에 의해 '파동이 수축(파동이 붕괴)'될 리 없다. 수축이 일어나는 것은 측정 결과를 인간이 뇌 속에서 인식했을 바로 그때임이 분명하다.'고 생각한 학자도 나타났다. 하지만 '인간이 뇌 속에서 인식하는 것'과 '파동의 수축(파동의 붕괴)'이 관계가 있을 리가 없다. 그래서 슈뢰딩거는 이러한 생각을 비판하기 위하여, '슈뢰딩거의 고양이'라는 사고 실험을 고안했다.

 원자에는 우라늄 등 시간이 지나면 원자핵이 붕괴되어 방사선을 방출하는 것이 있다. 양자론에 따르면, 그런 원자는 원자핵이 붕괴된 상태와 원자핵이 붕괴되지 않은 상태가 '공존'한다. 그리고 원자핵이 붕괴되었는지는 실제로 관측했을 때 결정된다. 내부를 볼 수 없는 상자 안에 '방사선 검출기'와 그에 연동해 '독가스를 방출하는 장치', '한 마리의 고양이'를 넣고, 방사선을 방출하는 우라늄 원자가 포함된 광석을 검출기 안에 놓자. 만약 우라늄 원자가 붕괴되어 방사선이 나오면, 검출기가 반응해, 독가스가 발생하고 고양이는 죽는다. 결국 원자핵의 붕괴되면 고양이는 죽는다. '원자핵이 붕괴된 상태'와 '원자핵이 붕괴되지 않은 상태'가 '공존'하므로, 고양이도 '죽은 상태'와 '죽지 않은 상태'가 '공존'한다. 슈뢰딩거는 이러한 반생반사의 고양이는 있을 수가 없다면서, 앞에서 언급한 해석을 비판하고 싶었던 것이다.

슈뢰딩거의 고양이

3. 해석

 양자론을 두고 지금까지 많은 해석이 나왔지만, 지금까지도 양자론의 해석에 대한 통일된 견해는 없다. 그중 양자론을 둘러싼 가장 대표적인 해석인 '코펜하겐 해석'과 '다세계 해석'을 소개한다.

3-1. '코펜하겐 해석'에서

 이후, 많은 과학자들이 채용하여, 표준적인 해석이 된 '코펜하겐 해석'에서는, 거시적 물체인 방사선 검출기가 방사선을 검출한 단계에서 원자핵의 '파동 수축(파동 붕괴)'이 일어나 원자핵의 공존 상태가 무너진다.'라고 생각한다. 즉, '코펜하겐 해석'에서는 복수의 상태가 공존하던 것이 관측함으로써 하나의 상태로 결정된다고 본 것이다. 하지만 '코펜하겐 해석'에서는 관측되지 않은 상태는 어디로 사라졌을까에 대해서 설명을 하지 못한다. 그리고 '수축이 일어나는 무엇인가?'에 대한 문제도 해결하지 못했다.

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3-2. '다세계 해석'에서

 양자론의 또 다른 해석으로는 '다세계 해석(다중 세계 해석)'이 있다. '다세계 해석'에서는 관측 후에도 복수의 상태가 남아 있다고 생각한다. 결국, '인간이 위치 A에서 전자를 관측한 세계'와 '인간이 위치 B에서 전자를 관측한 우주'가 갈라져 있다고 생각하는 것이다. 따라서 다세계 해석에서는 '파동의 수축(파동의 붕괴)'라는 생각은 필요 없어진다. 그리고 '다세계 해석'을 받아들이면, 미시 세계뿐만 아니라 모든 것을 양자론의 틀 안에서 생각할 수 있다. '다세계 해석'으로 우주의 탄생을 생각하면, 우주는 탄생 직후 계속 갈라져, 천체가 생겨나지 않은 우주, 블랙홀투성이의 우주, 우리 우주와 비슷한 우주 등, 무수한 우주가 존재하게 된다. 그리고 그중 하나가 우리 우주라는 것이다. 이처럼 많은 세계가 병렬해 있다고 간주하기 때문에, '다세계 해석'이라고 한다.

 '다세계 해석'으로 '슈뢰딩거의 고양이'를 생각해 보자. 다세계 해석에서는 '고양이가 살아있는 우주'와 '고양이가 죽어있는 우주'가 공존한다. 이것은 '반생반사의 고양이'라는 뜻이 아니라, 각각의 세계에 '고양이가 살아있는 세계'와 '고양이가 죽어있는 우주'의 어느 한쪽이라는 뜻이다. 그리고 갈라진 우주는 더 이상 간섭하지 않는 독립된 세계가 된다.