미시세계와 거시세계의 소통과 충돌

[유토피아]

'슈뢰딩거의 고양이'

'슈뢰딩거의 고양이'는 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거가 제안한 가설 이론실험이다.

이 이론실험은 코펜하겐 해석에 의한 양자역학의 불완전함을 제안하기 위해 고안한

사고 실험이라고도 할 수 있다.

양자역학에서는 미시세계에서 일어나는 어떤 사건의 결과는 그것을 관측하기 전까지는

비록 현재의 상태를 정확하게 알 수 있다 해도 어떤 결과를 예측할 수 없다는 확률론적 입장을 취한다.

이 실험은 고양이와 원자핵, 실험장치 등의 인위적인 방법을 제시하고 있지만

우연히 발생될 수 있는 미시세계의 사건이 거시세계와 연결되어 영향을 미쳤을 때,

과연 어떤 결과를 돌출할 수 있는지 관심있는 자들의 생각을 모아보는 실험이었다.

▶실험의 개요는

방사능을 가진 원자핵(미시세계)과 고양이(거시세계)와의 소통과 충돌이다.

▶실험의 진행은

-고양이가 밀폐된 상자 안에 갇혀 있다.

-상자 안에는 시간당 ½ 확률로 붕괴되는 원자핵과 독가스 통이 들어있다.

 (원자핵이 붕괴 되면 독가스 통도 터진다.)

-1시간 후 과연 고양이는 어떻게 되었을까?

 (↓내려가기 전에 여러분도 먼저 궁리해 보시길... )

이 실험은 미시세계와 거시세계가 동화되었을 때, 예상할 수 있는 결과는 무엇일까를 먼저 궁리한다.

50%의 확률로 붕괴될 수 있는 원자핵은 미시세계의 상태이고

그것의 확률로 인해 같은 공간에  설정으로 존재하고 있는 거시세계의 고양이가

슈뢰딩거가 제시하고 있는 이론실험으로 과연 죽었는가 / 살았는가?의 생각을 묻는다.

양자역학에서는 관찰하지 않은 원자핵은

'붕괴한 핵'과 '붕괴하지 않은 핵'의 이중(중첩)으로 설명이 되지만

1시간 후 상자를 열었을 때, 관찰자가 확인할 수 있는 것은

'붕괴한 핵과 죽은 고양이' or '붕괴하지 않은 핵과 죽지 않은 고양이' 일 뿐이다.

각각 다른 물리학적 입장에서 고양이가 죽었는가 살았는가의 해석 또한 달랐다.

이 해석은 연구이론에 따라 앞으로도 여러 다양한 해석들이 제시될 여지를 남겨두고 있다.

양자역학을 일반적으로 인정하고 있는 코펜하겐 해석(확률론적 해석)에 따르면

상자가 닫혀있을 때, 고양이의 상태는 죽은 고양이와 살아있는 고양이의 중첩으로 되어있지만

상자를 열고 확인하는 순간에야, 죽었거나 살았거나 하나로 확정된다는 해석이다.

고양이가 죽었거나 살았거나는 그 상자를 열어봤을 때, 관찰자의 의지에 있고 

그 관찰여부에 따라 결과에도 영향을 준다는 것이다.

그러나 고전역학4 결정론적 해석자들은

그것을 확인하든 안하든 고양이는 이미 죽었거나 안 죽었거나일 뿐이었다.

1시간 후에 일어날 일은, 과정에 의해 결정될 것이며 그것은 관찰과는 무관하다는 입장이다.

반면, 휴 에버렛5이라는 과학자는 '여러 세상 해석'을 제안한다.

'여러 세상 해석'에서는 서로 다른 상태가 중첩해 있는 것이 아니라,

서로 다른 여러 세상이 존재한다는 주장이다.

따라서 상자를 열어서 관찰하는 것은 여러 세상 중에서 하나의 세상를 선택하는 과정이라는 것이다.

상자 속의 고양이는 죽어있는 고양이와, 살아있는 고양이가 섞여 있는 중첩 상태가 아니라,

살아있는 고양이와, 죽어있는 고양이  모두가 존재한다.

관찰자가 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간에  

우주는 살아있는 고양이의 우주와 / 죽어 있는 고양이의 우주  즉, 두 개의 우주로 분리된다는 것이다.

살아 있는 고양이와 죽어 있는 고양이는 동시에 존재할 수 없다.

관찰자가 고양이를 관찰하는 순간  관찰자는 살아 있는 고양이와 함께 하나의 우주를 형성하거나

죽어 있는 고양이와 함께 또 다른 우주를 형성한다.

이 해석은 근래에 들어 많은 물리학자들의 지지를 받게 되었다.

 

슈뢰딩거는 아인슈타인과 함께 양자역학 연구발전에 핵심적인 역활을 하며 많은 공헌을 했었다.

그러나 양자역학에 대한 코펜하겐 해석(관찰하는 인간의 의식에 의해 물질의 상태가 결정된다)은

'불완전하며 현실적이지 않다'는 입장으로 동의할 수 없었던 것이다.

슈뢰딩거와 아인슈타인은 양자역학은 분명히 옳다는 것을 인정했지만 

보어를 중심으로 결성된 코펜하겐 해석자들과는 많은 논쟁적 갈등을 겪는다.

                                   제 5차 솔베이 세계 물리학 회의   (1927년 벨기에 브뤼셀)

솔베이 회의에서 아인슈타인은 코펜하겐 해석자들에게

"신은 주사위 놀이를 하지 않는다." 며 확률해석에  반박하는 설교를 한다.

아인슈타인이 말한 '신' 이란 자연과 물리법칙이고 '주사위 놀이'는 확률을 의미했다.

그러나 닐스 보어는 아인슈타인을 향해 반박한다.

"신이 주사위 놀이를 하든 말든 당신이 상관할 바가 아니다."

"신이 왜 주사위 놀이를 하는지를 먼저 생각해 보라!" 고 충고까지 했다고 한다.

이후 아인슈타인과 슈뢰딩거는 코펜하겐 해석에 반박하는 중요한 사고 실험을 여럿 제안했는데

그 중 하나가 바로 슈뢰딩거가 제안한 이 '슈뢰딩거의 고양이' 실험이었던 것이다.

▶결론으로

이 실험에서 슈뢰딩거가 말하고자 했던 것은 살아있으면서 동시에 죽어있는 고양이는

결코 존재하지 않음에  양자역학에 대한 코펜하겐 해석은 불완전하다는 것이다.

그것은 또한 미시세계의 현상이 거시세계까지 확장되어 일어났을 때 논리적으로 설명할 수 없는

모순이 발생한다는 점을 전하고 있다.