철학이야기 : 다시 쓰는 유레카
(1부. 우주 / 8장. 세 번째 프로그램, 세 번째 프로그래머
83. 슈뢰딩거의 고양이 패러독스
이 이야기는 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전성을 이야기하기 위하여 지어낸 이야기이지만 오히려 요즘은 양자역학을 이해시키는데 활용하는 이야기이다.
이 이야기에는 방사능을 가진 원자핵과 고양이 한 마리가 등장한다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 안에 들어있고, 이 상자는 독가스가 들어있는 통과 연결되어 있다. 독가스는 밸브에 가로막혀 상자 속으로 들어갈 수 없으며, 독가스가 들어있는 통 역시 외부 세계와 완전히 차단되어 밸브가 열리는지 볼 수 없다. 이 밸브는 원자핵이 든 기계 장치와 연결되어 있는데, 그 기계 장치는 원자핵이 붕괴하여 방사능을 방출하면 그것을 검출하여 밸브를 연다. 밸브가 열린다면 고양이는 독가스를 마시므로 곧 죽게 된다. 덧붙여 원자핵은 단위시간당 50%의 확률로 붕괴하도록 세팅되어 있다. 이제 단위시간이 지난 후 어떤 일이 벌어질까? 고양이는 50%의 확률로 살아 있거나 죽어 있을 것이다.
이 아무것도 아닌 이야기가 과학적으로 문제가 되는 것은 상자를 열어보기 전과 후의 상태 때문이다. 이 것에 대한 대표적인 해석은 두 가지인데 <코펜하겐 해석>과 <에버렛 해석>이다.
코펜하겐 해석은 보어, 하이젠베르크, 보른을 중심으로 한 해석이다. 양자역학의 대부인 닐스 보어 (Niels Henrik David Bohr, 1885. 10. 7~1962. 11. 18, 덴마크의 물리학자, 1922년 노벨물리학상 수상)의 연구소가 코펜하겐에 있었다. 보어는 당대 최고의 물리학자인 고전역학의 아인슈타인과 맞짱뜨며 뜨거운 과학 논쟁을 하며 젊은 과학자들과 함께 양자역학의 시대를 열어나갔다.
이 해석은 실험이 진행되는 과정에서는 여러 상태(고양이가 죽거나 산 상태)가 중첩적으로 나타나다가, 측정이 시행되는 순간 하나의 상태로 확정된다고 말한다. 다시 말해 상자가 닫혀 있을 때, 고양이의 상태는 죽은 고양이의 상태와 살아 있는 고양이 상태의 중첩으로 나타나지만, 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간 두 가지 상태 중의 하나로 확정된다는 것이다. 이것은 고양이의 상태가 객관적인 결론으로 분명해지는 것이 아니라, 관측자와의 상호작용 결과라는 것을 의미한다.
일견 우리의 상식으로는 잘 이해가 안 되는 부분이다. 내가 보든 안 보든 고양이가 살아있거나 죽어있거나 둘 중에 하나일 텐데 보기 전에는 알 수 없고 보는 순간 결정된다는 의미이다. 어떻게 이런 일이 일어날 수 있을까? 자연 현상이 내가 본다고 달라지고 보지 않는다고 달라지지 않는다는 뜻인가? 그러나 실제로 미시세계의 현상은 이리 나타난다고 생각해야 해석이 가능하다.
주사위를 예로 들면 이해가 조금은 쉬울 듯하다.
주사위를 던져 1이 나올 확률은 1/6이다. 이는 주사위를 던지기 전부터 던져서 공중에 떠 있는 순간, 바닥에 떨어져 데굴데굴 구르는 순간까지도 확률은 1/6이다. 그리고 주사위가 멈춰 섰지만 내가 보지 않았다면 아직까지 확률은 1/6이다. 이 순간까지 1부터 6까지의 모든 숫자가 중첩되어 있다고 할 수 있다. 그러나 우리가 결과를 관측하는 순간 어떤수인지가 결정된다.
양자역학이 다루는 미시우주의 세계는 거시우주의 세계와는 서로 다른 프로그램이 적용된다고 할 수 있다.
코펜하겐 해석을 반대하는 사람들은 ‘태양과 달이 관측할 때만 존재한다고 말하는 것이 과연 옳은가?’ 라고 반문한다. 그러나 이것은 미시세계의 일일뿐 거시세계와는 관련이 없다.
에버렛 해석은 1972년에 휴 에버렛 3세(Hugh Everett III)가 제안한 해석으로 상자 속의 고양이는 죽어 있는 고양이와 살아있는 고양이가 섞여 있는 중첩 상태가 아니라, 살아있는 고양이와 죽어 있는 고양이가 모두 존재한다. 관측자가 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간, 우주는 살아있는 고양이를 포함한 우주와 죽어 있는 고양이를 포함한 두 개의 우주로 분리된다는 것이다. 영화와 같은 이 이야기는 실제로 벌써 몇몇 영화의 소재로 쓰였다. 이렇게 되면 확률이 나타날 때마다 우주가 나눠지게 되는데 우주가 너무 많아져서 나는 이 해석은 채택하지 않기로 하겠다.
아무튼 이런 논란이 있고 벌써 7-80년이 흘렀는데도 양자역학이 붕괴되지 않고 오히려 현대물리학의 한 축으로 자리 잡은 것을 보면 양자역학의 확률성은 이제 현대물리학에서 확고히 자리잡은 것 같다.