슈뢰딩거의 고양이는 양자역학이 가지는 비현실성을 꼬집기 위해 고안된 실험이지만, 현재는 양자역학의 특징을 가장 잘 설명하는 실험의 하나로 꼽히는 다소 역설적인 실험입니다. 슈뢰딩거의 고양이란 무엇일까요?
1. 슈뢰딩거의 고양이가 가지는 역설
슈뢰딩거의 고양이는 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 고안한 실험입니다. 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학을 설명하는 수학적 기초가 되는 파동역학을 통해 파동함수라는 것을 제안하게 되는데 이 파동함수에 대해 또 다른 물리학자 막스 보른이 파동함수는 확률을 의미한다라고 주장하자 그에 반발하기 위해 실험을 고안하게 됩니다.
① 고양이 실험
한 마리의 고양이를 외부와 차단된 실험상자에 넣습니다. 이 상자에는 청산가리가 들어있는 유리병과 방사성 물질인 라듐, 그리고 방사능 수치를 측정하는 가이거 계수기가 함께 포함되어 있습니다. 또한, 유리병을 깨뜨릴 수 있는 장치에 달린 망치가 설치되어 있습니다. 이 상자는 외부와 단절되어 있으며 시각적으로 외부에서 내부의 상황을 볼 수 없도록 차단되어 있습니다.
시간이 흐름에 따라 상자 안의 라듐 핵이 붕괴하여 방사능 물질이 흘러나오게 됩니다. 이때 함께 들어있는 가이거 계수기는 방사능 수치를 측정하게 되며, 계수기의 수치가 일정 정도를 넘어설 경우 망치가 유리병을 깨뜨리게 되어 유리병 내부의 청산가리가 유출됩니다. 이렇게 유출된 청산가리로 인해 고양이는 사망할 가능성이 발생합니다. 라듐의 붕괴 확률이 1시간 후에 50%라고 가정한다면, 1시간 후의 고양이가 살아있는지 혹은 죽었는지를 묻는 것이 슈뢰딩거의 고양이 실험의 주된 질문입니다.
② 뭔소리지?
실험의 최종 질문을 받았을 때, 사람들은 주로 라듐 핵이 붕괴하여 방사능 지수가 올라가고 이로 인해 유리병의 청산가리가 유출되어 고양이가 이를 먹고 죽을 확률은 50%라고 대답할 것입니다. 그러나 이 50%의 확률은 고양이가 죽은 것을 의미하는 것이 아니라, 살아있음을 의미하지도 않습니다. 확률을 적용하면 이 고양이는 확률적으로 50%의 가능성으로 살아있고, 50%의 가능성으로 죽은 것으로 간주됩니다. 실험자들은 아직 고양이가 들어있는 상자의 내부를 확인하지 못했기 때문에 확실한 결론을 내릴 수 없으며, 오직 확률적인 상황에 대해서만 논할 수 있습니다. 이러한 상태를 양자역학에서는 고양이의 생사 여부가 중첩된 상태로 설명합니다.
③ 실험의 조건과 결과
이 실험의 조건은 붕괴한 라듐으로 둘 수 있습니다. 때문에 한 시간 후의 라듐의 상태에 대해 핵이 붕괴한 라듐과 그렇지 않은 라듐으로 볼 수 있습니다. 한시간 후의 라듐은 핵이 붕괴했을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있기 때문에 두 가능성을 모두 내포하게 됩니다. 때문에 양자역학의 관점에서는 고양이의 생사 여부가 중첩된 상태입니다.
하지만 실험자가 상자를 열어 어떤 결과에 도달했는지 상자를 여는 시점이 되면 더 고양이는 중첩된 상태로 남아있지 않게 됩니다. 살아있거나 혹은 죽어있는 하나의 상태로 남아있게 되는 것입니다. 이 시점을 양자역학에서는 파동함수가 붕괴된 지점으로 설명합니다.
2. 실제로 가능해?
물론 슈뢰딩거의 고양이 실험은 실제로는 실현불가능한 실험입니다. 이 실험은 개념상으로만 가능할 뿐 실제 현실에서 고양이는 죽지도 살지도 않은 상태로 존재하지 않습니다. 이 차이를 두고 양자역학의 모호성과 비현실성을 비판하기 위해 만들어진 실험이 바로 슈뢰딩거의 고양이이기 때문입니다.
하지만 이는 슈뢰딩거의 고양이가 고양이라는 생명체를 대상으로 만들어진 실험이기 때문에 나타나는 현실의 상태일 뿐, 양자의 세상으로 들어가게 되면 이야기가 달라집니다. 살아있는 생명체가 아니며 서로 상호작용을 통해 정보를 전달하여 영향을 받는 것이 가능하기 때문에 중첩된 상태로 존재하는 것이 가능하기 때문입니다.
이런 특징으로 인해 슈뢰딩거의 고양이 실험은 양자역학을 비판하기 위해 만들어졌지만 가장 역설적이게도 양자역할을 이해하기에 가장 쉬운 예로 현재까지 활용되고 있습니다.
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