양자역학 핵심이론 2편_슈뢰딩거의 고양이

 

지난편에서 하이젠베르크의 불확정성의 원리에 대한 내용을 작성했습니다.

 

전자의 이중슬릿 실험을 통해 전자가 파동 형태를 나타내다가 관측을 하게되면 갑자기 입자의 형태를 나타낸다.

 

그리고 이중슬릿을 통과하기 전에 전자의 모습을 직접 관측할 수 있는 방법은 원론적으로 존재하지 않는다.

 

이렇게 나온 불확정성의 원리.

 

 

양자역학 핵심이론 2편_슈뢰딩거의 고양이 

에서는

 

불확정성의 원리를 정립하기 위한 이중슬릿 실험에서 나타난 양자중첩 현상을 받아들이지 못하고

 

계속 논란이 되면서 나타난 또하나의 중요한 사건. 바로 그 유명한 '슈뢰딩거의 고양이' 사고실험에 대해 다뤄보겠습니다.

 

 

 

 

다시 이중슬릿 실험으로 돌아가보겠습니다.

 

전자총을 이용하여   전자를 두 개의 작은 구멍이 뚫린 슬릿을 통과하게 합니다. 슬릿들 사이에는 스크린이 위치하며, 스크린에는 양자 입자가 어디에 찍히는지를 나타내는 광학판이 있습니다. 

전자를 하나 쏘면 광학판에 어딘가에 전자가 한 점 찍힙니다. 같은 방법으로 전자를 10개, 100개, 그렇게 계속 쏘다 보면 광학 판에 나타나는 전자 무늬는 두줄이 아니라 간섭무늬로 여러 줄이 생긴다는 것이며 이것은 양자입자가 파동성을 나타낸다는 것을 의미합니다.

또한 간섭무늬가 생겼다는 것은 하나의 전자가 두개의 슬릿을 동시에 통과했다는 말이 되기도 합니다.

 

그러니까 하나의 알갱이가 두개의 구멍을 동시에 통과하다가 누군가 보면 갑자기 하나만 통과하는 형태로 바뀐다는 말이죠.

 

여기서 하이젠베르크와 닐스보어 등의 코펜하겐 해석 팀에서는 양자입자는 중첩 상태로 존재하다가 관측되는 순간 하나로 결정된다라는 정말 기이한 해석을 내놓습니다. 

 

(참고로 여기서 관측이라는 용어가 중요한데, 관측의 주체은 반드시 사람이 아닙니다.

관측하는 대상을 제외한 우주의 모든 것을 관측자라고 말할 수 있습니다.

그러니까 어떤 양자 입자가 관측대상이라고 하면, 그 공간 안에 양자입자를 제외한 어떠한 것도 전부 관측대상이 되어

양자입자의 형태가 바뀐다 라고 할 수 있겠네요.)

 

 

아무튼, 관측하기 전까지 두개의 상태가 동시에 존재한다니?

이런 이해하기 어려운 해석은 물리학계에서 엄청난 파장을 불러일으키고

특히 아인슈타인은 전자를 관측할 수 있는 다양한 방법을 내놓으면서 코펜하겐 해석을 부수려고 했지만

오히려 코펜하겐 해석팀에서는 아인슈타인의 주장을 완벽하게 반박하면서 오히려 점점 더 정확한 이론으로 정립되어 갑니다.

 

 

양자 입자 하나가 파동의 형태에서 관측당하면 입자가 된다..

그러면 양자입자 여러개를 동시에 쏘게 되면?

그래서 전자를 동시에 10개도 쏘아보고 100개도 쏘아봅니다.

하지만 결과는 같죠.

그래서 미시세계에서는 이런 알 수 없는 일이 일어난다고 생각하게 됩니다.

 

 

여기서 하나 궁금증이 생깁니다.

 

왜 우리가 사는 이 거시세계에서는 그런일이 일어나지 않는가?

 

그리고 어디서부터가 미시세계이고 어디부터가 거시세계인가?

 

입자 1000개까지 미시세계면 1001개부터 거시세계인가?

 

 

그런 끝없는 질문들이 파생되던 중에 드디어 그 유명한 슈뢰딩거가 고양이 사고실험을 내놓습니다.

 

 

슈뢰딩거 고양이 사고실험을 아주 간략하게 설명해 볼게요. (실제 실험 아니고 생각으로만 한 실험입니다!)

 

어떤 상자안에 고양이를 넣습니다.

상자 안에는 독약이 든 병이 있고, 1시간 후 정확히 50%의 확률로 붕괴되거나, 붕괴되지 않는 원소를 넣습니다.

원소가 붕괴되면 상자안의 망치가 병을 깨서 고양이는 죽게됩니다.

1시간 후 상자를 다시 열어보았을 때, 고양이는 죽어있을까요? 아니면 살아있을까요?

 

 

직관적으로 생각하면 당연히 50%의 확률로 살아있거나 죽어있거나 둘 중 하나여야 합니다.

하지만 양자역학적으로 생각해 봅니다.

 

 

미시세계의 원자는 중첩상태를 띄다가 관측이 되어야 하나의 상태로 결정된다고 하는데

그렇다면 모든 것이 원자로 이루어진 고양이 또한 중첩상태가 되어야 한다.

그러니 살아있음과 죽어있음이 동시에 존재하다가 상자를 열어보면  죽어있거나 살아있거나 둘 중 하나로 결정된다는 것인가?

우리가 아는 한 죽어있으면서 살아있음이 동시에 존재할 수는 없다.

그러니까 당신들이 말하는 양자중첩에 의한 두가지상태가 동시에 존재한다는 양자역학은 틀린 해석이다!

 

 

라고 주장하는 것이 바로 '슈뢰딩거의 고양이 사고실험' 입니다.

 

 

 

그러니까 사실은 지금까지의 양자역학 이론이 틀렸다는 것을 주장하기 위한 사고실험이지만

아이러니하게도 이 내용은 지금까지도 양자역학을 대표하는 사고실험이 됩니다.

 

제가 알기로 현대물리학 최근 해석은

거시세계 또한 관측당하지 않는다면 같은 법칙을 따른다 로 알고있습니다.

하지만 관측당하지 않는다는 조건이 거의 불가능이기 때문에 실험을 못할 뿐..

 

 

아무튼 이러한 중첩상태..

여러가지 상태가 동시에 존재하다가 어떠한 원인에 의해 하나로 결정된다.

바로 이 내용에서부터 출발한 것이 바로 다세계 해석(다중우주)입니다.

그 이후 또 많은 이론들이 나오면서 초끈이론이 화제가 되기도 했었죠.

 

 

 

 

대부분 실험이 불가능해 공상이론 영역으로 남아있긴 하지만 

우리가 있는 세상이 어떻게 돌아가는 것일까를 생각해보는 것은 꽤 재밌는 일입니다.

 

 

 

 

다음 편에서는 요새 살짝 묻히긴 했지만 많은 화제가 되었던, 양자컴퓨터에 대해 다뤄보겠습니다