죽은 것도 살아 있는 것도 아닌 슈뢰딩거의 고양이 실험

슈뢰딩거의 고양이 실험은 양자역학에서 가장 유명한 실험 중 하나입니다. 이 실험은 양자역학에서 설명되는 '초평면파' 이론과 관련이 있습니다. 이 실험에서는 상자 안에 고양이와 함께 방사능 물질이 있는 광학 실험이 이루어집니다. 이때 방사능 물질이 알파 입자를 방출하면, 이 알파 입자는 고양이를 죽일 수도 있습니다.

 

 

슈뢰딩거의 고양이 실험

이 실험에서는 상자 안에 고양이와 함께 방사능 물질이 있는 광학 실험이 이루어집니다. 이때 방사능 물질이 알파 입자를 방출하면, 이 알파 입자는 고양이의 생명을 위협합니다.하지만 이 상자는 닫혀 있기 때문에, 우리는 고양이가 살아있는지 죽었는지 알 수 없습니다. 이러한 상황에서 양자역학에서는, 고양이는 살아있는 것과 동시에 죽은 것으로 판단됩니다.
이것은 어떻게 가능한 것일까요? 양자역학에서는 입자의 위치와 운동 상태가 모두 정확히 측정될 수 없다는 원리가 있습니다. 따라서 이 실험에서는 알파 입자의 위치와 고양이의 상태를 동시에 측정할 수 없습니다. 

 

결국, 고양이는 살아있는 것과 동시에 죽은 것으로 판단됩니다. 이것은 상식적으로 이해하기 어렵지만, 양자역학에서는 가능한 일입니다.

 

양극화 필터 실험

양자역학에서는 다양한 실험이 수행되었는데, 그 중 대표적인 실험으로는 양극화 필터 실험이 있습니다. 
양극화 필터 실험은 양자역학에서의 '측정 문제'를 다루는 실험으로, 양자역학에서 말하는 '측정'이란 어떤 상태에 있는 시스템에 대한 정보를 추출하는 것을 의미합니다. 양극화 필터 실험은 빛이 어떻게 작용하는지를 이해하는 데 도움이 되는 실험입니다.
빛은 전자기파의 일종으로, 전자기파는 파동의 방향이 수직인 전기장과 자기장의 진동으로 구성됩니다. 이 전기장과 자기장의 진동이 수직으로 일어나는 전자기파를 '직선극성'이라고 합니다. 그리고 이러한 직선극성의 전자기파를 이용하여 만든 필터를 '양극화 필터'라고 부릅니다.
양극화 필터 실험을 하기 위해서는, 양극화 필터와 빛의 광원이 필요합니다. 실험을 진행할 때, 양극화 필터를 빛의 경로에 끼워놓으면, 필터를 통과한 빛의 직선극성은 필터의 방향과 일치하게 됩니다. 그리고 필터를 통과하지 못한 빛은 직선극성이 필터와 수직 하게 되어 차단됩니다.
따라서, 양극화 필터 실험에서는 양극화 필터를 사용하여 빛을 분리할 수 있으며, 이를 통해 빛의 특성에 대해 더 깊이 이해할 수 있습니다.

이 실험에서는, 광원으로부터 발생하는 빛이 양극화 필터를 통과하면서 광자가 어느 방향으로 편광되는지 측정하는 것입니다. 이때 광자는 양자역학에서 불확정성 원리에 따라 두 가지 방향으로 동시에 존재합니다. 즉, 양극화 필터 실험에서는 측정하는 도구에 따라 광자가 어느 한 방향으로만 존재하게 만들어지는 것이 아니라, 여러 방향으로 존재할 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 이러한 실험 결과는 양자역학에서 말하는 '측정의 불가능성'에 대한 논의를 이끌었으며, 양자역학의 기본 원리 중 하나인 '측정 문제'에 대한 이해를 높이는 데 큰 역할을 하였습니다. 따라서, 양극화 필터 실험은 양자역학에서 중요한 역할을 하는 실험 중 하나입니다.

슈뢰딩거 고양이 실험에 반대 입장이었던 아인슈타인

 

 

아인슈타인 "난 반댈세!"

아인슈타인은 양자역학에서의 '측정 문제'에 대한 중요성은 인정하면서도, 고양이가 존재하는지/죽어있는지를 결정하는 것과 같은 '패러독스적인' 상황은 실제로 일어나지 않는다고 주장하였습니다. 아인슈타인은 이러한 상황이 양자역학에서의 오해와 착각을 부추기며 이론을 혼란스럽게 만든다고 봤습니다. 그는 이를 '현실성 없는' 상황으로 여겨, 양자역학 이론의 발전에 있어서 현실적인 실험 데이터와의 일치가 필요하다고 강조하였습니다. 그러나 이에 대한 반박으로, 양자역학에서는 이와 같은 상황이 실제로 일어날 가능성이 있다는 것을 실험적으로 입증하였으며, 이는 양자역학의 이론적인 발전을 이끌었습니다.

 

그럼 정말 아인슈타인이 틀린걸까?

현재 양자역학에서는 슈뢰딩거의 고양이 실험과 같은 '패러독스적인' 상황이 가능하다는 것이 입증되었습니다. 이를 토대로 하여, 양자역학에서는 측정 결과에 대한 불확정성 원리가 존재하며, 측정 결과가 결정되기 전까지는 시스템이 모든 가능한 상태를 동시에 가지고 있다는 것이 이론적으로 입증되었습니다. 따라서 아인슈타인의 의견은 현재 양자역학에서의 입장으로 보면 부정적인 입장으로 여겨집니다. 그러나 아인슈타인이 주장한 것과 같이, 양자역학에서는 여전히 현실적인 실험 데이터와의 일치가 필요하며, 이를 위한 연구와 실험들이 지속적으로 진행되고 있습니다.
즉, 아인슈타인의 의견은 현재 양자역학에서는 부정적으로 여겨지지만, 이론과 실험의 발전을 위한 지속적인 노력과 연구가 필요하다는 것은 여전히 유효한 것으로 여겨집니다.

 

슈뢰딩거의 고양이

심리학의 역사를 관통하는 50가지 실험에 대해 살펴본 『파블로프의 개』에 이어 수세기 동안 물리학을 빛낸 천재 과학자들의 실험을 다룬 『슈뢰딩거의 고양이』가 출간되었다. 물리학은 오랜 역사를 가지고 있다. 아마도 과학 분야에서는 역사가 가장 오래됐을 것이다. 사람들은 항상 만물이 어떤 원리로 돌아가는지 호기심을 가져왔다. 다른 분야와 달리 물리학은 논리, 추론, 특히 실험을 통해 세상의 진리를 파헤쳐왔다. 과학자들의 이런 노력은 막대한 비용을 투자한 대규모 실험이 이뤄지는 현대에도 여전히 진행 중이다. 엄청난 경비와 인력이 투입되고 있지만 물리학에 완성이란 없다. 이미 수차례의 실험을 거쳐 검증된 사실 속에도 항상 새로운 질문이 숨어 있다. 물론 그 답을 찾은 후에도 또 다른 질문이 기다리고 있을 것이다. 공간, 시간, 블랙홀, 빅뱅 그리고 존재 등 세상에서 일어나는 모든 일의 비밀을 밝힌 『슈뢰딩거의 고양이』는 고전물리학부터 현대물리학에 이르기까지 위대한 과학자들의 업적과 이론을 모두 배울 수 있는 물리학 지침서다. 시대를 대표하는 천재 과학자들이 느낀, 세상만사에 관한 흥미로운 궁금증과 그에 대한 답을 엮었다. 엠페도클레스의 양동이 실험부터 피터 힉스의 ‘신의 입자’ 발견까지, 시대별로 나누어 구성한 50가지 실험을 통해 시대를 관통하는 물리학의 역사를 한눈에 살펴볼 수 있다. 또한 다양한 일러스트와 생동감 넘치는 일화를 통해 자칫 지루하게 느껴질 수 있는 물리학 역사를 재미있게 풀어나간다.

저자

애덤 하트데이비스

출판

시그마북스

출판일

2017.01.02