양자역학 한방 이해 – 슈뢰딩거의 고양이

이번 글에서는 양자역학을 이해하는데 가장 널리 알려진 개념인 슈뢰딩거의 고양이에 대해 이야기를 나눠보겠다.

슈뢰딩거의 고양이

1. 들어가는 글

앞서 우리는 양자는 불연속적이며, 관측을 통해서 확률적으로만 존재한다고 배웠다.

이에 양자 상태를 측정하기 전에는 측정에 의한 여러 결과가 확률적으로 동시에 존재하게 되는데 이를 양자중첩이라고 한다.

양자세계가 관측 전에는 중첩된 상태라고 한다면 눈에 보이는 거시세계에서도 관측 전에는 중첩된 상태, 즉 이중성을 지니는가?

관찰자자 존재하지 않으면 하늘 위에 떠있는 태양은 존재하기도, 존재하지 않기도한 중첩된 상태인가? 그럼 처음에는 누가 관측한 것인가? 과연 이러한 개념이 성립할 수 있는 것인가?

이러한 모호한 개념 때문에 오스트리아의 이론 물리학자 슈뢰딩거는 이러한 양자역학의 중첩 개념을 매우 비합리적으로 생각하였다.

이에 양자역학의 오류를 증명하고자 슈뢰딩거의 고양이라는 유명한 사고 실험을 진행 하게 된다.

결론적으로는 오히려 양자역학의 개념을 가장 잘 이해할 수 있는 이론으로 알려지게 된다.

2. 슈뢰딩거의 고양이

슈뢰딩거는 양자역학의 오류를 증명하기 위해 만든 실험이다.

원리는 간단하다.

이중슬릿

1) 두 개의 구멍이 있는 슬릿, 밀폐된 상자, 독극물, 라듐, 탐지기, 망치, 고양이를 준비한다.

2) 전자빔 발생기로 전자 1개를 A와 B 두 개의 구멍이 있는 슬릿으로 통과 시킨다.

3) 전자가 A를 통과하면 라듐핵이 빛을 받아 핵이 붕괴되어 탐지기가 이를 감지하여 망치로 독극물 병을 깨게되고 고양이는 죽는다. B를 통과하면 독극물 병은 깨지지 않고 고양이는 산다.

4) 전자가 입자이면 A 구멍만 통과하여 고양이는 죽게 되지만 양자역학에 따르면 관측 전에는 전자는 위치가 불확실하므로 A를 통과할 수도 B를 통과할 수도 있는 상태가 된다.

그렇다면 독극물 병은 깨진 상태인가? 깨지지 않는 상태인가?

고양이는 죽은 상태인가? 죽지 않은 상태인가?

고양이는 산 것도 죽은 것도 아닌 생태가 된다.

슈뢰딩거의 고양이
위키백과 사진자료

양자의 세계에서 이중성을 갖는다는 것은 그렇다 하더라도 현실에서는 전혀 말이 안되는 것 같은 상태가 되는 것이다.

슈뢰딩거는 이러한 상태는 현실에 존재하지 않으므로 양자역학은 틀렸다고 주장하였다.

3. 슈뢰딩거의 사고실험 그 결과는?

슈뢰딩거의 고양이에서 나오는 양자중첩의 개념은 현실 세계에서는 일어나기 힘들지만 불가능하지 않으며, 미시세계에서는 자연스러운 개념이라는 것이 현재 물리학의 정설이다.

이에 슈뢰딩거의 사고 실험은 눈에 보이는 세계에 대한 양자 확률과 상태의 중첩이라는 개념을 설명하는데 좋은 예가 되고 있다.

양자중첩

파동이 구분 가능한 미시세계는 양자중첩이 자연스럽게 발생할 수 있으나,

고양이와 같은 거시세계에서는 고양이가 지닌 파장이 너무 짧아서 둘 중 하나의 상태 만을 갖게 된다. 

사실 우리가 인식하는 거시 세계도 파동이다. 사람도 고양이도 파동처럼 위 실험의 두 슬릿 중 A에 있을 수도 B에 있을 수도 있는 상태가 가능하다는 이야기이다.

다만 확률이 매우 희박하다. 공기의 마찰도 없어야 하며, 빛도 닿아서는 안되며 물체를 구성하는 원자들끼리도 상호작용이 있어서는 안된다.

결론적으로는 관측되지 않으면 어떠한 물체도 양자처럼 중첩된 상태에 존재할 수 있다.

다만 확률이 낮을 뿐이다.

최근 양자중첩에 대한 연구를 지속하면서 이러한 현상이 발생되는 미시세계와 거시세계의 경계가 어디쯤인지 알기 위한 탐구가 지속되고 있다.

원자를 넘어 수천개의 원자로 이루어진 분자, 아미노산으로 이루어진 생체분자까지 그 크기가 점점 증가하며 양자중첩 현상이 거시세계에서도 발생할 수 있는 가능성을 증명하고 있다.

4. 양자중첩과 철학적 상상

양자역학의 중첩 개념을 우리의 삶에 적용해 본다면 어떨까?

삶도 내가 생각하거나 누군가에게 인식되기 전까지 정해진 것 없다라고 생각해보자.

이는 우리의 삶은 자유 의지에 따라 얼마든지 변화 시킬 수 있다는 것을 의미하기도 한다.

우리가 살아가는 현실과 삶을 형성하기 까지 수많은 관측과 나의 선택이 무한히 중첩되어 이루어진 것이다.

나를 형성하고 있는 육체도 DNA로 이루어진 수많은 원자와 분자들의 상호작용이며, 나라는 자아도 결국 지금까지 살아온 환경과 내 선택의 결과다.

그리고 이것을 우주의 영역으로 확대해보자.

고양이가 살아있거나 죽어있는 상태 동시에 존재하는 것처럼

우주도 우리가 인지하고 있는 관측된 우주와 관측되지 않는 우주로 나누어 질 수 있다.

우리가 살고 있는 법칙을 초월하는 다양한 우주가 존재할 가능성이 있게 된다.

이것은 과학에서 말하는 ‘다중우주론’의 네가지 개념 중 하나를 설명한다.

이를 우리의 삶과 우주의 관점에 적용해보면 좀 더 심오한 상상이 가능해진다.

양자가 관측되기 전의 이중성이 완전히 사라지지 않는다고 가정하면 우리의 선택에 따라 선택한 우주와 선택하지 않는 우주가 갈라진다고 생각해 볼 수 있다.

우리의 생각과 선택, 그것에 따른 실행에 따라 새로운 우주가 끊임 없이 창조되고 있는 것이다. 창조된 우주는 또 다른 관측자에 영향을 주며 또 다른 우주를 무한히 창조한다.

이러한 가정에 따르면 인간이 작은 우주라는 말이 괜히 생긴 것이 아닌 것 같다.

양자역학은 아직까지 증명되지 않았고 가정의 영역이 많다.

하지만 시간이 지남에 따라 끊임 없이 세상이 변화하고 발전하듯 새로운 발견이 우리에게 또 다른 길을 열러 줄 것이라 믿고 있다.

5. 링크자료

지식 | 엑시토니 블로그 (exitorney.com)

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