슈뢰딩거의 고양이는 양자역학에서 가장 유명하면서도 가장 논쟁적인 사고실험입니다. 에르빈 슈뢰딩거가 1935년 제안한 이 역설은 미시세계의 양자 중첩이 거시세계로 확장될 때 발생하는 모순을 극적으로 보여주며, 측정 문제와 양자역학의 해석을 둘러싼 근본적인 질문을 던집니다. 오늘은 슈뢰딩거의 고양이, 양자 중첩 상태의 역설에 대해서 살펴보겠습니다.
코펜하겐 해석에 대한 슈뢰딩거의 도발
1920년대 중반 양자역학이 완성되면서 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크를 중심으로 한 코펜하겐 해석이 주류가 되었습니다. 이 해석에 따르면 측정 전까지 입자는 모든 가능한 상태의 중첩에 있고, 측정하는 순간 파동함수가 붕괴하며 하나의 값으로 결정됩니다. 전자는 측정 전까지 여러 위치에 동시에 존재하고, 관측하는 순간 한 곳에서 발견됩니다. 보어는 이것이 자연의 근본적인 특성이라고 주장했습니다. 하지만 많은 물리학자들이 이를 받아들이기 어려워했습니다. 아인슈타인은 "당신이 보지 않을 때 달이 존재하지 않는다고 정말 믿습니까?"라며 반박했습니다. 슈뢰딩거도 코펜하겐 해석에 회의적이었습니다. 그는 자신이 만든 슈뢰딩거 방정식의 해석에 동의하지 않았던 것입니다. 1935년 슈뢰딩거는 코펜하겐 해석의 모순을 드러내기 위해 고양이 사고실험을 고안했습니다. 이것은 양자역학을 공격하기 위한 것이 아니라 당시의 표준 해석이 불완전함을 보이려는 시도였습니다. 미시세계의 중첩 상태를 거시세계로 증폭시키면 말도 안 되는 결론에 도달한다는 것을 보여주고자 했습니다.
슈뢰딩거의 고양이, 죽은 동시에 살아있는 고양이의 불가능한 상태
사고실험의 정확한 설정
슈뢰딩거의 고양이 실험은 다음과 같이 구성됩니다. 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리와 방사성 물질, 가이거 계수기, 독가스 장치가 있습니다. 방사성 원자는 1시간 동안 50퍼센트 확률로 붕괴합니다. 만약 붕괴가 일어나면 가이거 계수기가 이를 감지하고 망치를 작동시켜 독가스 병을 깨뜨립니다. 그러면 고양이는 죽습니다. 붕괴가 일어나지 않으면 고양이는 살아있습니다. 양자역학에 따르면 방사성 원자는 측정 전까지 붕괴한 상태와 붕괴하지 않은 상태의 중첩에 있습니다. 그렇다면 이 중첩이 가이거 계수기로, 독가스 장치로, 결국 고양이에게까지 전달되어야 합니다. 따라서 상자를 열기 전까지 고양이는 죽은 상태와 산 상태의 중첩에 있다는 결론에 도달합니다. 이것은 명백히 우리의 경험과 모순됩니다. 고양이는 죽었거나 살았거나 둘 중 하나이지, 죽은 동시에 살아있을 수는 없습니다. 슈뢰딩거는 이 터무니없는 결론을 통해 코펜하겐 해석이 거시세계로 확장될 때 문제가 있음을 지적했습니다. 양자 중첩은 원자나 전자 같은 미시 입자에만 적용되어야 하며, 어떤 시점에서 고전적 세계로 전환되어야 한다는 것이었습니다.
파동함수 붕괴의 미스터리
슈뢰딩거의 고양이가 제기하는 핵심 질문은 파동함수 붕괴가 정확히 언제 일어나느냐입니다. 방사성 원자가 붕괴하는 순간인가? 가이거 계수기가 감지하는 순간인가? 독가스가 방출되는 순간인가? 고양이가 죽는 순간인가? 아니면 인간이 상자를 열어 관측하는 순간인가? 코펜하겐 해석은 명확한 답을 주지 못합니다. 측정이라는 개념 자체가 모호합니다. 무엇이 측정 장치이고 무엇이 측정 대상인지 구분하는 명확한 기준이 없습니다. 일부 극단적 해석은 의식 있는 관측자가 필요하다고 주장했습니다. 유진 위그너는 의식이 파동함수를 붕괴시킨다는 주장을 했습니다. 이에 따르면 인간이 상자를 열기 전까지 고양이는 정말로 중첩 상태에 있습니다. 하지만 이것은 더 큰 문제를 낳습니다. 만약 친구가 먼저 상자를 열었다면? 위그너의 친구 역설이라는 또 다른 사고실험이 이 문제를 파고듭니다. 친구가 상자를 열어 고양이를 관측했지만 위그너에게 결과를 알려주지 않았다면, 위그너의 관점에서는 친구와 고양이가 모두 중첩 상태에 있는 것인가? 이런 질문들은 양자역학의 기초가 여전히 완전히 이해되지 않았음을 보여줍니다.
양자 결어긋남과 고전 세계로의 전환
현대 물리학은 결어긋남이라는 개념으로 슈뢰딩거의 고양이 문제에 접근합니다. 양자 시스템이 환경과 상호작용하면 위상 관계가 무작위로 뒤섞이며 양자 간섭이 사라집니다. 이것이 결어긋남입니다. 거시적 물체는 수많은 입자로 이루어져 있고 환경과 끊임없이 상호작용하므로 극히 짧은 시간에 결어긋남이 일어납니다. 고양이 정도 크기의 물체는 10⁻⁴⁰초 만에 결어긋남이 일어나므로 사실상 즉시 고전적 상태로 전환됩니다. 따라서 실제로 죽은 동시에 살아있는 고양이 중첩 상태는 존재할 수 없습니다. 환경이라는 거대한 자유도와의 상호작용으로 인해 중첩이 유지되지 못하는 것입니다. 하지만 결어긋남도 완전한 해답은 아닙니다. 결어긋남은 중첩 상태가 관측하기 어렵게 된다는 것이지 근본적으로 사라진다는 것은 아닙니다. 정보가 환경으로 퍼져나갈 뿐입니다. 최근에는 나노 입자나 분자 수준에서 중첩 상태를 유지하는 실험이 성공하고 있습니다. 수백 개의 원자로 이루어진 풀러렌 분자도 간섭 무늬를 보입니다. 양자와 고전의 경계가 어디인지는 여전히 활발한 연구 주제입니다.
여러 해석이 제시하는 서로 다른 답
슈뢰딩거의 고양이에 대해 양자역학의 다양한 해석들은 전혀 다른 답을 제시합니다. 코펜하겐 해석은 측정 전에는 고양이의 상태가 정의되지 않는다고 말합니다. 관측하는 순간 하나의 상태로 결정되지만 왜 그런지는 설명하지 않습니다. 다세계 해석은 더 과격합니다. 상자를 여는 순간 우주가 두 갈래로 분기하여 한 세계에서는 고양이가 살아있고 다른 세계에서는 죽어있다고 주장합니다. 모든 가능한 측정 결과가 실제로 일어나지만 서로 다른 평행우주에서 일어난다는 것입니다. 이 해석은 파동함수 붕괴를 가정하지 않아도 되지만 무수히 많은 평행우주를 받아들여야 합니다. 드브로이-봄 이론 같은 숨은 변수 이론은 입자가 항상 확정된 위치를 가지며 파동함수는 입자를 안내하는 역할만 한다고 봅니다. 이 관점에서 고양이는 항상 죽었거나 살았으며, 중첩은 우리의 무지를 나타낼 뿐입니다. 하지만 비국소성이라는 이상한 특성을 받아들여야 합니다. 자발적 붕괴 이론은 파동함수가 무작위로 붕괴하는 물리적 과정을 제안합니다. 질량이 클수록 빠르게 붕괴하므로 전자는 오래 중첩을 유지하지만 고양이는 즉시 붕괴합니다. 이것은 슈뢰딩거 방정식을 수정하는 것이므로 실험적 검증이 가능합니다. 현재까지 어떤 해석도 결정적으로 증명되지 않았습니다. 슈뢰딩거의 고양이는 90년이 지난 지금도 양자역학의 해석을 둘러싼 논쟁의 중심에 있으며, 측정의 본질, 의식의 역할, 현실의 구조에 대한 근본적인 질문을 계속 던지고 있습니다.