양자역학 - 슈뢰딩거의 고양이

양자역학을 통해 알게 된 양자역학의 핵심은 모든 물질이 입자이자 파동이라는 것이다. 그리고 양자역학에 의하면 미시적인 세계에서 일어나는 사건은 그 사건이 관측되기 전까지는 확률적으로 밖에 계산할 수 없고 가능한 서로 다른 상태가 공존한다고 말한다. 슈뢰딩거의 고양이는 1935년 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전함을 보이기 위해 만든 사고 실험이다. 미시세계에서 일어나는 사건이 거시적 세계로 확대해서 보았을 때 얼마나 말이 안 되는 것인지 보여주기 위해 하나의 역설로 거론된 실험이 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험인 것이다.

 

슈뢰딩거의 고양이 사고 실험의 내용을 알아보자.

고양이 한 마리와 청산가리가 든 유리병, 방사성 물질 라듐, 방사능을 검출하는 가이거 계수기, 망치가 상자에 들어 있다. 상자는 외부 세계에 차단되어 있고, 밖에서 내부를 볼 수 없다. 라듐 핵이 붕괴하면 가이거 계수기가 그것을 탐지한다. 그렇게 되면 망치가 유리병을 내려쳐 유리병이 깨지고, 청산가리가 유출된다. 그렇게 되면 청산가리를 마신 고양이는 죽게 된다. 

 

라듐이 붕괴할 확률은 1시간 뒤에 50%다. 그러면 상자 속 고양이가 1시간 뒤에 어떻게 될까? 고양이가 죽어있는 것인가 아니면 살아있는 것인가? 양자역학 이론에 따르면 상자를 열기 전에는 살아있는 고양이와 죽어있는 고양이가 중첩되어 있다는 것이다. 그리고 상자를 열어서 관측하는 순간 고양이가 죽었는지 살았는지 결정된다는 것이다. 물리학자 슈뢰딩거는 그런 일은 있을 수 없다고 하며 이와 같은 고양이 사고 실험을 고안한 것이다. 슈뢰딩거에 따르면 양자역학이 불완전하며 현실적이지 않다는 것이다.

 

그러나 양자역학을 주장한 코펜하겐 해석에 따르면 상자를 열어보기 전에는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩되어 있었지만, 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다고 한다. 관측자가 상자를 여는 동시에 상태가 하나로 결정된다는 것이다. 실험 대상에 대한 관측 행위가 대상의 상태를 결정한다는 것이다.

 

이러한 의견에 아인슈타인도 슈뢰딩거와 마찬가지로 반대했다. 아인슈타인은 이렇게 과학에 불확정성을 도입한 양자역학 이론에 대해 다음과 같은 발언으로 비판했다. "신은 주사위 놀이를 하지 않는다. 그렇다면 당신이 달을 보지 않고 있을 때, 달이 지금 보이는 저곳에 없다고 생각하는가?" 그렇지만 닐스 보어는 아인슈타인의 그러한 발언에 "신에게 참견하지 말라."는 답변으로 양자역학 이론에 가능성을 주장했다.

 

양자역학에서 말하는 관측이라는 것이 관찰자가 있거나 눈으로 보는 관측만을 뜻하는 것이 아니다. 다른 형태의 에너지의 영향을 받아 그 에너지와의 상호작용이 있다면 파동과 입자가 공존하는 상태로 있다가 하나의 상태로 결정된다는 것이다. 달이나 사람이 파동과 입자로 중첩되어 있지 않는 것은 중력, 전자기력 등 많은 에너지의 영향을 받기 때문이다. 관측이라는 것이 눈으로 보는 관측만을 뜻하는 게 아니라 어떠한 물리적 법칙과의 상호작용 모든 것을 의미한다고 할 수 있다. 슈뢰딩거의 고양이 실험이나 이중 슬릿 실험이 눈에 보이는 큰 물질로 실험이 어려운 이유도 많은 에너지의 영향에서 완전히 차단된 진공 상태와 같은 실험을 진행할 만큼 과학이 발달하지 않았기 때문이다. 

 

양자역학을 반대한 물리학자 슈뢰딩거의 생각과는 달리 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 근본 개념을 다루는 사고 실험으로 유명해졌다. 모든 물질은 입자이자 파동이다. 관측 행위와 같은 상호작용이 있는 순간 물질의 상태가 결정된다. 이러한 양자역학 이론은 과학이 발전할수록 하나하나씩 증명을 더해가며 위상이 높아지고 있다. 

 

아주 작은 전자가 이중 슬릿 실험으로 입자이자 파동이라는 것이 증명되었다. 그리고 그보다 훨씬 더 큰 풀러렌 분자도 입자이자 파동이라는 것이 증명되었듯이 언젠가는 눈에 보이는 더 큰 물질까지 이중 슬릿 실험이 가능해 파동성을 확인해 볼 수 있는 날이 올 수 있을지도 모른다는 생각이 든다.