슈뢰딩거의 고양이, 양자역학의 중첩상태

슈뢰딩거의 고양이

 

슈뢰딩거의 고양이는 1935년 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해 고안한 사고 실험입니다.

 

사고실험 내용

• 고양이 한 마리, 방사능 물질, 독극물 병, 방사선 측정기, 망치를 준비해 폐쇠된 상자 안에 함께 넣고 밀봉합니다.
• 방사능 물질은 한 시간 안에 원자핵이 붕괴할 확률과 붕괴하지 않을 확률이 각각 50%입니다.
• 만약 원자핵이 붕괴하면 방사선이 나오고, 측정기가 이를 감지해 망치가 독극물 병을 깨뜨립니다.
• 독극물이 퍼지면 고양이는 죽게 됩니다.
• 만약 원자핵이 붕괴하지 않으면 아무 일도 일어나지 않고 고양이는 살아남습니다.

사고실험의 의미

이 실험의 핵심은 아래와 같습니다.

• 양자 중첩: 양자역학에 따르면, 원자핵은 관측되기 전까지 '붕괴한 상태'와 '붕괴하지 않은 상태'가 중첩되어 있습니다.
• 관측과 파동함수 붕괴: 상자 속 고양이의 운명은 이 원자핵의 상태와 연결되어 있습니다. 따라서 상자를 열어 관측하기 전까지는 고양이가 '살아 있는 상태'와 '죽어 있는 상태'가 동시에 존재하는 것처럼 여겨집니다. 상자를 여는 순간, 즉 '관측'이 이루어지는 순간 고양이의 상태는 살아 있거나 죽은 둘 중 하나로 결정됩니다.

슈뢰딩거는 이러한 상황이 거시 세계(고양이)에서 발생한다는 것이 얼마나 비상식적인지를 보여주며, 미시 세계에 적용되는 양자역학의 확률적 해석(코펜하겐 해석)을 비판하고자 했습니다.

 

사고실험에 대한 해석

슈뢰딩거의 고양이 실험은 양자역학에서 "중첩 상태(superposition)"와 "관측의 문제"를 드러내주는 대표적인 사고 실험입니다. 이 실험의 핵심은 미시 세계(양자 세계)의 물리 법칙이 거시 세계(일상 세계)에도 적용될 수 있는지, 그리고 관측자가 현실의 상태를 결정하는 데 어떤 역할을 하는지에 대한 근본적 질문을 던진다는 데 있습니다.

슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 해석을 둘러싼 다양한 논쟁을 불러일으켰습니다.

• 코펜하겐 해석: 슈뢰딩거가 비판했던 주류 해석으로, 관측이 파동함수를 붕괴시켜 하나의 상태로 만든다고 봅니다.
• 다세계 해석: 관측이 이루어지는 순간 우주가 두 갈래로 나뉘어, 한 우주에서는 고양이가 살고 다른 우주에서는 죽는다는 해석입니다.
• 결어긋남: 최근에는 양자 중첩 상태가 환경과 상호작용하면서 순식간에 사라지는 현상인 '결어긋남(decoherence)'으로 설명하려는 시도도 있습니다

양자 중첩의 설명

양자역학에서는 입자가 여러 상태를 동시에 가질 수 있다는 "중첩" 원리를 가정합니다. 슈뢰딩거의 고양이에서는 고양이가 살아있는 상태와 죽은 상태가 상자를 열어 보기 전까지 동시에 존재하는 것으로 간주되는데, 이는 양자 중첩의 극단적인 사례입니다. 이 사고 실험은 관측 또는 측정이 이루어질 때 파동 함수가 '붕괴'하여 한 가지 상태로 귀결된다는 "관측 문제"를 강조합니다. 상자를 열어 직접 확인하는 행위가 바로 관측에 해당하며, 이때 고양이의 상태가 확정됩니다.

 

슈뢰딩거의 고양이 실험은 양자역학의 코펜하겐 해석(관측 전까지는 모든 가능성이 겹친 중첩 상태로 존재)에 대한 비판으로 고안되었으며, 미시세계의 법칙이 거시적 존재(고양이)에도 적용될 수 있는지, 또 실제 세계에서 이러한 해석이 합리적인지에 대한 논란을 야기하여, 양자역학 해석 논쟁의 상징이 되었습니다.