슈뢰딩거의 고양이
상자를 열어보기 전까지는 앞면인지 뒷면인지 정해지지 않고 두 모습이 겹쳐 있는 마법의 동전과 같아요.
정의 상자를 열어 눈으로 확인하기 전까지는 고양이가 살아있는 상태와 죽은 상태로 동시에 겹쳐 존재한다는 기묘한 사고실험이에요. 원자처럼 아주 작은 미시 세계의 물리 법칙을 우리가 사는 일상 세계에 그대로 대입했을 때 생기는 모순을 보여주기 위해 고안되었어요.
뚜껑을 닫은 상자 속에서 벌어지는 일
상자 안에 고양이 한 마리와 특수한 기계 장치가 함께 들어있다고 상상해 보세요. 이 장치 속에는 한 시간 동안 50% 확률로 쪼개질 수 있는 방사성 원자 한 개와 독가스 병이 들어있어요.
원자가 쪼개지면 감지기가 이를 감지해 망치를 떨어뜨리고 독가스 병을 깨뜨려요. 반대로 원자가 온전하게 남아있으면 독가스는 나오지 않고 고양이도 무사히 살아남아요.
원자나 전자 같은 미시 세계를 다루는 물리학인 양자역학에서는, 확인하기 전까지 원자가 쪼개진 상태와 쪼개지지 않은 상태가 반반씩 섞여 있다고 보아요. 그렇다면 이 원자와 연결된 고양이 역시 상자를 열어 확인하기 전까지는 살아있으면서 동시에 죽어있는 상태로 겹쳐 있어야 한다는 이상한 결론이 나와요.
조금 더 정확히 말하면: 왜 고양이를 상자에 넣었을까요?
조금 더 정확히 말하면, 이 사고실험을 제안한 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학의 기묘함을 찬양하려고 이 이야기를 꺼낸 것이 아니었어요. 오히려 당시 과학자들이 내놓은 설명이 상식적으로 얼마나 터무니없는지를 꼬집기 위해 만든 역설이었죠.
전자처럼 눈에 보이지 않는 아주 미세한 입자에서는 여러 가능성이 겹쳐 있는 '양자 중첩'이 실제로 일어나요. 하지만 이 규칙을 고양이처럼 커다란 현실의 물체에 그대로 적용하면 상식 밖의 모순이 생겨나요.
즉, 슈뢰딩거는 고양이라는 극단적인 비유를 통해 미시 세계의 확률적 성질을 현실 세계로 마구 넓혀 설명하는 방식에 논리적인 결함이 있음을 증명하려 했어요. 당연히 실제로 살아있는 고양이를 상자에 넣고 위험한 실험을 한 적은 없어요.
관측하는 순간 현실이 정해질까요?
그렇다면 왜 우리는 일상에서 삶과 죽음이 겹쳐 있는 고양이를 결코 볼 수 없을까요? 과거에는 관측자가 상자 뚜껑을 열어 안을 들여다보는 순간에 비로소 고양이의 생사가 하나로 정해진다고 설명하기도 했어요.
하지만 현대 물리학은 의식을 가진 사람이 보지 않더라도, 물리적인 상호작용 자체가 상태를 결정한다고 설명해요. 상자 속의 원자나 장치는 상자 벽, 공기 분자, 빛 등 수많은 주변 환경과 쉼 없이 부딪히고 에너지를 주고받아요.
이처럼 주변과 부딪히며 양자적인 겹침 상태가 순식간에 깨지는 현상을 결어긋남(상태의 중첩이 사라지는 현상)이라고 불러요. 우리가 사는 거시 세계에서는 이 과정이 눈 깜짝할 새보다 훨씬 빠르게 일어나므로 현실은 늘 하나의 명확한 모습으로만 나타나요.
🤔 흔한 오해
슈뢰딩거는 실제로 고양이를 상자에 넣고 독가스 실험을 진행했다.
이것은 머릿속으로만 진행한 가상의 사고실험이에요. 실제 동물을 사용한 적이 없으며, 이론의 모순을 짚어내기 위한 비유였어요.
슈뢰딩거는 고양이가 진짜로 반쯤 죽어있는 상태라고 믿었다.
슈뢰딩거는 오히려 '고양이가 반쯤 살고 반쯤 죽어있다는 건 말이 안 된다'며 당시 양자역학의 불완전함을 지적하기 위해 이 역설을 만들었어요.
🧺 일상에서 만나요
미시 세계의 양자 중첩 현상을 우리가 사는 세상으로 끌고 왔을 때 일어나는 모순을 꼬집은 가상의 사고실험이에요.