슈뢰딩거의 고양이 실험 이란? - 양자역학 이야기

슈뢰딩거의 고양이란?

슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해서 1935년 에르빈 슈뢰딩거가 고안한 사고실험 입니다. 

슈뢰딩거

슈뢰딩거의 고양이 사고실험 내용

사고실험의 자세한 내용은 다음과 같습니다. 

상자 안에는 살아있는 고양이 한마리, 청산가리가 든 유리병, 방사성물질인 라듐, 방사능을 검출하는 가이거 계수기 그리고 망치가 들어있습니다. 라듐 핵이 붕괴하면 가이거 계슈기가 이를 탐지하고 그러면 상자속 망치가 유리병을 내려치게 되는데, 이 때 유리병 속에 청산가리가 유출되면서 고양이가 죽게됩니다. 

라듐이 붕괴될 확률은 1시간 뒤 50퍼센트의 확률을 가집니다. 1시간 뒤에 고양이는 죽었을까 살았을까 하는 내용의 사고실험입니다. (외부에서는 절대로 상자 안을 볼 수 없습니다.)

 

즉, 1시간 후에 절반의 확률로 고양이가 죽게 됩니다. 당신은 그 상황을 전혀 볼 수가 없습니다. 

 

슈뢰딩거가 위와 같은 사고실험을 제기했던 이유는 양자역학은 불완전하며 현실적이지 않음을 말하기 위함이었습니다. 양자역학에 따르면 관측하지 않은 핵은 '붕괴한 핵'과 '붕괴되지 않은 핵'의 중첩으로 표현합니다. 양자역학의 세계에서는 이 상자를 열기 전까지 삶과 죽음이 함께 있다고 합니다. 슈뢰딩거는 고양이의 생존에 대해서 삶과 죽음이 공존하는게 상식적으로 말이 안되는 것을 말하기 위함이었습니다. 

 

슈뢰딩거고양이사고실험의 해석

코펜하겐 해석
가장 많이 받아들여지고 있는 설명입니다. '상자를 열어보기 전에는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 '중첩' 되어 있었으나 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다' 라는 해석이에요. 이것을 간단히 "파동함수가 붕괴된다"고 표현합니다. 일반적으로 받아들여지는 코펜하겐 해석에 따르면, 이 실험에서는 관측자가 상자를 여는 동시에 상태가 고정되게 됩니다. 즉 대상에 대한 관측 행위가 대상의 상태를 결정한다는 것입니다.

단, 코펜하겐 학파라고 해서 "파동함수가 붕괴하는 것"을 납득하는 것은 아닙니다. 예를 들어 중력에 의해 땅으로 떨어지는 사과가 지면에 도달하는 즉시 더 이상 진행하지 않고 멈추는 것은 중력의 인력보다 훨씬 더 큰 전자기력의 척력에 막혔기 때문이지, 사과가 지면에 도달하는 즉시 중력이 붕괴했기 때문이 아니다.

관측이 되면 그 즉시 파동함수가 붕괴한다는 것도 납득될 수 없는 문제입니다. 이유는 모르지만 외관상 그렇게 보이고 현재로는 도저히 그 이유를 알 길이 없으니 일단 그런 것으로 해두자는 게 코펜하겐 해석의 입장으로, 사실 코펜하겐 해석은 어떤 해석을 내놓는 것이라기 보단 해석을 유보하는 것으로 보는게 더 적절합니다. 아인슈타인의 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"는 발언에 대한 보어의 "신에게 참견하지 말라"는 답변이 코펜하겐 해석의 입장을 함축한다고 할 수 있겠습니다.

다중세계 해석
휴 에버렛 3세가 만든 해석으로, '상자를 열어보기 전에는 살아있는 세계와 죽어있는 세계가 모두 존재하며 관측하는 순간 어떤 한 쪽의 세계로 진입하게 된다' 라는 해석입니다. 핵이 붕괴하는 순간이 분기점이 되어 고양이가 살아 있는 세계와 고양이가 죽은 세계가 분리되어 평행 우주가 되고 서로에게 영향을 주지 않는다고 해석하는 것입니다.

이 이론에서 파동함수는 각각의 세계로 진입할 확률을 뜻하게 됩니다. 이 해석이 물리학자들의 지지를 받는 이유는 파동함수의 붕괴라는 납득하기 힘든 답을 피할 수 있음과 동시에 외관상 파동함수가 붕괴되어 보이는 이유를 매끄럽게 설명하기 때문입니다.

코펜하겐 해석과 함께 파동함수의 붕괴를 설명하기 위해 경쟁하는 가장 중요한 이론으로, 전통적인 코펜하겐 해석 쪽이 정설이지만 다중세계 해석쪽도 지지하는 과학자가 많다.

앙상블 해석
앙상블 해석에서는 양자 물리학의 확률의 문제를 통계적으로 해석합니다. 다시 말해 상자 속의 고양이가 살아있을 확률이 50%이고 죽어 있을 확률이 50%라는 것은, 한 마리의 고양이가 죽은 상태와 살아 있는 상태가 중첩된 상태에 있다는 것이 아니라, 많은 고양이가 같은 상태에 있을 때 그 중의 반은 죽어 있고 반은 살아 있다는 것을 뜻한다는 것입니다. 예를 들어 방사성 원소와 고양이가 든 상자가 1억 개 있을 때, 한 시간 후에 그 중의 5,000만 상자의 고양이는 살아 있고 나머지 5,000만 상자 속의 고양이는 죽어 있다고 통계적으로 해석합니다.

앙상블 해석을 전자와 같은 작은 입자들에도 적용하면 이해하기 어려웠던 많은 문제가 쉽게 이해되는 듯 보인다. 앙상블 해석을 적용하면 확률함수는 전자가 다른 에너지를 가지는 여러 가지 상태로 중첩되어 있다는 것이 아니라, 수없이 많은 전자가 여러 가지 다른 상태에 있을 확률을 나타낸다고 설명할 수 있습니다. 비슷한 예로, 광자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 것이 아니라 수많은 광자 중의 반(1/2)이 한 슬릿을 통과하고 다른 반(1/2)이 또 다른 슬릿을 통과한다고 설명할 수 있습니다.

아인슈타인은 앙상블이론을 발전시켜 숨은 변수이론을 제안했다. 양자 물리학에서 입자 하나하나가 어떤 상태에 있는지 알 수 없는 것은 입자의 상태를 결정하는 변수를 우리가 다 알지 못하기 때문이라는 것이다. 양자물리학이 확률을 포함하게 된 것은 입자 하나하나의 상태를 결정하는 숨은 변수를 알지 못하기 때문에, 이런 숨은 변수를 알게 된다면 양자물리학도 확률에 의해서가 아니라 결정론적으로 서술할 수 있다고 주장합니다.

그러나 이러한 앙상블 해석을 받아들이면 양자물리학이 입자 하나의 물리적 상태를 수학적으로 기술할 수 없다는 것을 인정할 수 밖에 없습니다. 따라서 코펜하겐 해석을 받아들인 과학자들은 양자물리학에는 파동함수 이외에 다른 변수가 존재하지 않으며, 물리적 실재가 따로 존재하는 것이 아니라고 이들의 주장을 반박했습니다.