[과학] 양자역학 '슈뢰딩거의 고양이(Schrödingers Katze)' 그리고 '슈뢰딩거의 개'

[과학] 양자역학 '슈뢰딩거의 고양이(Schrödingers Katze)' 그리고 '슈뢰딩거의 개'

빅뱅이론이라는 미국드라마를 보면, 과학에 관한 내용을 간접적으로 은근히 자주 접해볼 수 있다. 물론 소인배닷컴은 이러한 부분은 전공을 한 사람은 아닌지라, 정확히는 잘 모르고 있지만, 그래도 상식적으로 알고 있어야 할 부분은 알고 있어야 할 것 같아서, 이렇게 간단하게나마 필요한 정보는 수집을 해두려고 하는 편이다. 요즘에는 취업을 하려고 해도 이러한 부분들을 최대한 많이 알고 있어야 유리한 상황이 되어가고 있으니 말이다. 아무튼 이번에는 빅뱅이론이라는 드라마를 보게 되면 자주 접하게 되는 내용, 바로 슈뢰딩거의 고양이에 관한 내용이 되겠다.

▲ 슈뢰딩거의 고양이 (이미지 출처 : 구글 검색)

"양자역학과 관련된 슈뢰딩거의 고양이, 실제로는 양자역학의 불완전성을 보여주기 위해 고안된 실험이다."

슈뢰딩거의 고양이 실험은, 1935년 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거가 한 실험으로, 양자역학의 불완전성을 보여주기 위해서 고안한 사고 실험이다. 양자역학에 따르면 미시적인 세계에서 일어나는 사건은 그 시간이 관측되기 전까지는 확률적으로 계산할 수밖에 없으며, 가능한 서로 다른 상태가 공존하고 있다고 맗나다. 하지만, 슈뢰딩거의 이 실험은 우연적으로 일어나는 미시적인 사건이 거시적인 세계에 영향을 미칠 때 어떻게 되는가를 보여주는 것으로 일종의 패러독스로 거론이 되고 있는 실험이다.

"외부와 차단된 상자 속에 든 고양이, 그리고 상자는 독가스가 들어있는 통과 연결이 되어 있다."

이 사고 실험에는 알파입자와 고양이 한 마리가 등장한다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 속에 들어있고, 이 상자는 독가스가 들어있는 통과 연결이 되어 있다. 독가스는 밸브에 가로막혀 상자 속으로 들어갈 수 없으며, 독가스가 든 통 역시 외부 세계와 완전히 차단되어 밸브가 열리는지 볼 수 없다. 이 밸브는 방사능을 검출하는 기계 장치와 연결되어 있는데, 그 기계 장치는 라듐 등이 붕괴하며 방출한 알파입자를 검출하여 밸브를 연다. 밸브가 열린다면 고양이는 독가스를 마셔 죽게 된다. 그리고 처음에 라듐은 단위 시간 당 50%의 확률로 알파붕괴하도록 설정이 되어 있다. 그렇다면 그 단위 시간이 흘느 후에 고양이는 50%의 확률로 살아있거나 죽어있을 것이다.

"양자역학에 따르면 관측되지 않은 핵은 "붕괴한 핵"과 붕괴하지 않은 핵"의 중첩으로 설명되지만 한 시간 후 상자를 열었을 떄 관측자가 볼 수 있는 것은 "붕괴한 핵과 죽은 고양이" 또는 "붕괴하지 않은 해과 죽지 않은 고양이" 뿐이다. 그럼 언제 이것의 중첩 상태가 끝나고 하나의 상태로 고정이 되는가?"

일반적인 믿음과는 달리 슈뢰딩거는 "죽기도 하고 살기도 한 고양이"가 진짜로 존재한다고 주장했던 것은 아니다. 오히려 그는 양자역학은 불완전하며 현실적이지 않다고 생각했다. 고양이는 반드시 살이었거나 죽은 상태여야 하기 때문에, 양성자 역시 붕괴했거나 붕괴하지 않았거나 둘 중 하나라는 것이다. 일반적으로 받아들여지는 코펜하겐 해석에 따르면 이 실험에서는 관측자가 상자를 여는 동시에 상태가 고정된다. 즉 대상에 대한 관측행위가 대상의 상태를 결정한다는 것이다. 다중세계의 해석에서는 핵이 붕괴하는 순간이 분기점이 되어 고양이가 살아 있는 세계와 고양이가 죽은 세계가 분리되어 평행 우주가 되고 서로에게 영향을 주지 않는다고 해석하고 있다.

▲ 쉘든의 입을 통해서 듣는 슈뢰딩거의 고양이

"빅뱅이론에서 쉘든이 언급하고 있는 슈뢰딩거의 고양이를 한번 들어보도록 하자."

물리학에서도 양자역학은 쉽지 않은 부분이라, 전공하지 않은 사람이 보면 정말 무슨 이야기를 하는 것인지 잘 모르겠는 경우가 많다. 그래서 역시 과학은 아무나 하는 것이 아닌가보다 하는 생각이 들기도 한다고 할까? 그나마 그렇게 어려운 과학을 우리들에게 조금은 친근하게 만들어준 미국 드라마, 빅뱅이론에서 쉘던은 이것을 어떻게 설명하고 있는지 한번 들어보도록 하자.

▲ 재미로 보고 넘어가는 슈뢰딩거의 개 (이미지 출처 : 구글 검색)

"그리고, 이건 재미삼이... 서있기도 하고, 앉아있기도 한 슈뢰딩거의 개도 있다. (물론, 이건 진지하게 받아들이지 말자. 그냥 웃고 넘어가는 걸로...)"

이건 실제로 슈뢰딩거가 실험을 한 부분은 아니지만, 누리꾼들이 이러한 포즈를 취하고 있는 강아지를 보고 이름을 붙여준 것이다. 바로 "슈뢰딩거의 개"라고 말이다. 사진 속에서 강아지는 서있기도 하고, 앉아있기도 한모습을 보여서, 재치있게 누군가가 붙여준 그러한 모습이라고 할 수 있을 듯 하다. 아무튼 이러한 부분은 진지하게 받아들이지 말고, 재미로 받아들이고 넘어가도록 하자.