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죽어있으면서 동시에 살아있는 고양이가… 양자세계에서는 가능하다?? 에르빈 슈뢰딩거의 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 코펜하겐 학파의 확률, 중첩 개념을 무너뜨리기 위해 내세운 사고 실험입니다.
코펜하겐 학파는 양자역학을 이렇게 설명한다. 미시 세계에서는 입자에 대한 그 어떤 정보도 정확하게 알 수 없다. 이것은 양자역학의 본질이므로 측정장비가 아무리 정교해지고 과학이 진보하더라도
미시세계를 정확하게 이해하는 건 불가능하다. 다만, 미시 세계에서 정보는 확률적으로는 알 수 있다.
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슈뢰딩거의 고양이 – 나무위키
다른 말로 하자면 양자역학에서는 직접 측정하려 시도하지 않는다고 해서 해당 물리량의 정보가 측정되지 않는 것이 아니라 입자가 아닌 다른 형태들로 나타나며, 준입자들 …
Source: namu.wiki
Date Published: 7/19/2022
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슈뢰딩거의 고양이 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
슈뢰딩거의 고양이(Schrödingers Katze)는 1935년에 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전함을 보이기 위해서 고안한 사고 실험이다.
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 2/5/2022
View: 966
죽어있으면서도 살아있는 고양이, 슈뢰딩거의 고양이
당시 닐스 보어 등 코펜하겐 대학에 있는 몇몇의 물리학자들이 양자역학에 대한 주요 해석인 ‘코펜하겐 해석’을 발표하였으나 이 내용에 동의를 할 수 …
Source: www.ksakosmos.com
Date Published: 9/25/2022
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알아두면 쓸모 있는 양자역학 이야기 – 슈뢰딩거의 고양이와 …
슈뢰딩거 고양이는 양자이다. 알아두면 쓸모 있는 양자역학 이야기 – 슈뢰딩거의 고양이와 양자중첩 △ 슈뢰딩거 (출처: 위키백과). 미시세계에서 …
Source: news.samsungdisplay.com
Date Published: 1/6/2021
View: 7038
슈뢰딩거의 고양이 실험 이란? – 양자역학 이야기
슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해서 1935년 에르빈 슈뢰딩거가 고안한 사고실험 입니다. 슈뢰딩거 …
Source: universe-survivor.tistory.com
Date Published: 8/3/2022
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[동향]양자역학의 비밀 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 구현
‘슈뢰딩거의 고양이 상태’는 양자 물리학의 창시자 중 한 사람인 오스트리아의 과학자 슈뢰딩거가 제안한 사고 실험(thought experiment)에 등장하는 고양이에서 유래된 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 10/8/2021
View: 8180
슈뢰딩거 고양이는 누가 죽였나? – 동아사이언스
[양자역학 좀 아는 척! ②] 사실, 산 것도 죽은 것도 아니야! 과학동아 제공. 상자 안에 들어 있는 고양이가 생존할 확률은 50%다. 고양이의 운명은 …Source: www.dongascience.com
Date Published: 7/5/2022
View: 7913
양자역학 역설, 슈뢰딩거 고양이를 구할 수 있을까
‘슈뢰딩거(Schrödinger)의 고양이’는 양자중첩 상태가 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다 코펜하겐 해석이 불완전함을 보이기 위해 에르빈 슈뢰딩거가 …
Source: scimonitors.com
Date Published: 1/28/2022
View: 9372
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주제에 대한 기사 평가 양자 역학 고양이
- Author: 리뷰엉이: Owl’s Review
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- Date Published: 2021. 1. 12.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=hg798x6rAnU
슈뢰딩거의 고양이
In fact, the mere act of opening the box will determine the state of the cat, although in this case there were three determinate states the cat could be in: these being Alive, Dead, and Bloody Furious.
사실 상자를 여는 것만으로도 고양이의 상태가 결정된다. 하지만 이 경우엔 고양이가 있을 수 있는 상태가 세 가지인데, 그것은 바로 살아있음, 죽어있음, 그리고 깊은 빡침이다.
위키백과, 우리 모두의 백과사전
산 고양이와 죽은 고양이가 상자 안에 공존하고 있다?
슈뢰딩거의 고양이(Schrödingers Katze)는 1935년에 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전함을 보이기 위해서 고안한 사고 실험이다.[1]
기원과 의의 [ 편집 ]
자신이 만든 파동방정식의 해(파동함수)가 확률을 뜻한다고 막스 보른(Max Born)이 주장하자 물리학에 불확정성이 도입된 것에 대해 반발해 고안된 사고실험이다. 즉, 코펜하겐 해석의 비상식적인 면을 드러내어 비판하고자 하는 목적의 실험이다.[2]
양자역학의 특징을 설명하는 대표적인 예시로 흔히 사용된다. 양자역학에 의하면, 미시적인 세계에서 일어나는 사건은 그 사건이 관측되기 전까지는 확률적으로밖에 계산할 수가 없으며 가능한 서로 다른 상태가 공존하고 있다고 말한다. 슈뢰딩거가 제안한 이 사고 실험은 우연적으로 일어나는 미시적인 사건이 거시적 세계에 영향을 미칠 때 어떻게 되는가를 보여주는 것으로, 하나의 패러독스로서 거론된다.[3]
사고실험 [ 편집 ]
사고실험의 내용은 다음과 같다. 고양이 한 마리와 청산가리가 든 유리병, 방사성물질 라듐, 방사능을 검출하는 가이거 계수기, 망치가 상자에 들어 있다. 상자는 외부 세계에 차단되어 있고, 밖에서 내부를 볼 수 없다. 라듐 핵이 붕괴하면 가이거계수기가 그걸 탐지한다. 그러면 망치가 유리병을 내려쳐 깨게 돼 청산가리가 유출된다. 청산가리를 마신 고양이는 죽게 된다. 라듐이 붕괴할 확률은 1시간 뒤 50퍼센트다. 1시간 뒤 고양이는 죽었을까 살았을까?[4]
요약하면 “1시간 후에 절반의 확률로 상자 안의 고양이가 죽는다. 당신은 그 상황을 전혀 볼 수 없다.”라는 것이다. 이는 역설을 제기하기 위한 사고실험이다.
이해와 검증 [ 편집 ]
양자역학에 따르면 관측하지 않은 핵은 ‘붕괴한 핵’과 ‘붕괴하지 않은 핵’의 중첩으로 설명되지만, 한 시간 후 상자를 열었을 때 관측자가 볼 수 있는 것은 “붕괴한 핵과 죽은 고양이” 또는 “붕괴하지 않은 핵과 죽지 않은 고양이”뿐이다.
그럼 언제 이 계의 중첩 상태가 끝나고 하나의 상태로 고정되는가. 일반적인 믿음과는 달리, 슈뢰딩거는 “죽기도 하고 살기도 한 고양이”가 진짜로 존재한다고 주장했던 것은 아니다. 오히려 그는 양자역학은 불완전하며 현실적이지 않다고 생각했다. 고양이는 반드시 살아있거나 죽은 상태여야 하기 때문에, 그 둘 사이의 어디쯤이 아닌, 원자 역시 붕괴했거나 붕괴하지 않았거나 둘 중 하나라는 것이다
이중 슬릿 실험 [ 편집 ]
텅 빈 실험실 안에 손전등이 벽면을 비추고 있다. 손전등과 벽면 사이에 가림판을 설치하고 그 가림판에 가늘고 기다란 구멍을 뚫는다(A슬릿이라고 부른다). 그럼 가림판의 A슬릿을 빠져나온 빛은 벽면에 길다란 한줄의 빛줄기를 남길 것이다. 만약 그 구멍옆에 똑같은 구멍(B슬릿이라고 부른다)을 하나 더 뚫는다면, 벽면에는 여러 줄의 불빛이 생긴다. 이는 파동이 서로 간섭하는 현상에 의해 발생하는 것으로, A슬릿과 B슬릿을 동시에 통과한 불빛들이 서로 간섭을 하여, 그 결과로 벽면에 간섭 불빛이 남은 것이다. 즉, 벽면에 비치는 여러 줄의 간섭 불빛을 통해 빛이 파동임을 확실하게 증명한다.
만약 위의 실험에서 손전등으로 불빛을 비추는 대신 이중 슬릿을 향해 전자빔 발사기로 전자빔을 쏜다면 위와 똑같은 현상이 발생할 수 있을까. 일단 먼저 전자는 눈에 보이지 않으므로 전자가 도달한 위치 파악을 위해, 전자를 받으면 색이 변하는 도료를 벽면에 바른다. 편의상 감광판이라고 부르도록 한다. 위의 불빛과 마찬가지로 전자빔 발사기에서 발사된 전자빔은 이중 슬릿을 통과하여 선명한 간섭무늬를 감광판에 남기게 된다. 즉, 전자빔도 빛과 마찬가지로 파동이다. A슬릿과 B슬릿을 동시에 통과한 연속적인 전자의 흐름들은 파동이기 때문에 당연히 서로 간섭을 하여 감광판에 간섭 무늬를 남긴다.
위의 전자빔발사기에서 전자다발들이 아니라 전자를 한 번에 하나씩 불연속적으로 발사한다면, 어김없이 감광판엔 간섭 무늬가 남는다. 여기서 이를 통해 전자다발들 혹은 연속적인 전자들의 흐름만이 파동이 아니라, 애초에 각각의 전자 하나 하나가 그 자체로 입자이면서 동시에 파동임을 알 수 있다.
여기서 원래대로라면 감광판에 간섭 무늬가 남기 위해선 A슬릿을 통과한 파동과 B슬릿을 통과한 파동(전자)이 서로 간섭을 일으켜야 하고, 서로 간섭을 일으키기 위해선 각각의 슬릿을 최소한 하나씩의 전자가 동시에 통과해야 한다. 하나씩의 전자를 차례대로 발사해서는 결코 이 전자는 감광판에 간섭 무늬를 남겨서는 안 된다.
위의 의문을 정리해본다면, 감광판에 간섭 무늬가 남기 위해선 최소한 두 개 이상의 전자가 A와 B 각각의 슬릿을 따로 그리고 동시에 통과해야 한다. 하지만, 전자는 분명 한번에 하나씩만 발사되었다. 그럼에도 불구하고 감광판엔 선명하게 간섭 무늬가 남아 있다.
그렇다면 하나의 결론에 도달할 수밖에 없다. 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 모두 통과했다. 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과했다는 것은 물론 하나의 전자가 동시에 두 곳에 존재한다는 뜻을 포함하며, 결론적으로 하나의 전자는 확률적으로 위치할 수 있는 모든 곳에 동시에 존재한다.[5][6]
이와 마찬가지로 슈뢰딩거의 고양이도 (파동함수를 따르는 한) 있을 수 있는 모든 상태로 동시에 존재하며, 슈뢰딩거의 고양이가 중첩된 상태로 존재한다는 것은 바로 이것을 말한다. 슈뢰딩거의 고양이, 더 나아가서 양자역학은 확률론과 인식론과는 하등 관련이 없다. 즉, 일반적인 확률의 개념과 양자역학에서의 확률은 근본적으로 다르다.
상상 속의 고양이 [ 편집 ]
슈뢰딩거의 고양이 실험은 실제로 재현할 수 없다. 현실 속의 고양이는 삶과 죽음이 확정된 상태에 있으며, 이를 확인하기 위해선 직접 뚜껑을 열어봐야 하기 때문이다.
슈뢰딩거의 사고실험에 논리상 허점은 없다. 하지만 이중 슬릿 실험을 통해 하나의 전자가 두개의 슬릿을 동시에 통과하는 것 역시 증명되었다. 그렇다면 거시세계에서도 한마리의 고양이가 두개의 슬릿을 동시에 통과하는 일이 벌어질 수 있겠으나, 우리는 그런 장면을 목격할 수 없다.
이 의문을 해결하기 위해 거시세계와 미시세계의 경계를 들여다 보아야 한다. 풀러렌을 이용한 이중 슬릿 실험 결과를 살펴보면, 플러렌의 크기는 앞에서 실험한 전자에 비해 매우 크다. 원자핵과 전자의 크기 비가 100,000 : 1이고 탄소 원자들이 60개가 모여 입체적인 구 형태를 만든 풀러렌(C60)은 수소 원자보다 5만배는 더 크다. 미시적 세계와 거시적 세계의 경계쯤 되는 풀러렌 분자로 이중 슬릿 실험을 할 경우 간섭 무늬가 아닌 단지 2개의 띠를 만든다.
하지만 실험 환경을 진공에 가깝게 조성할수록 간섭무늬가 생긴다. 공기는 기체이기에 분자 자체가 많지도 않고 앞에서 말한 것처럼 전자의 크기가 분자의 크기에 비해 너무 작기 때문에 전자를 이용한 이중 슬릿 실험에서는 진공이 아니더라도 간섭 무늬를 만든다.
이번엔 풀러렌이 아닌 전자 실험으로 다시 넘어가 이번에는 A슬릿과 B슬릿에 관측 장비를 달아서 전자가 어떤 슬릿을 통과하는지 확인해보도록 하면, 해당 실험에서는 전자는 A슬릿과 B슬릿 중 하나만 통과하며 간섭 무늬가 아닌 이중 띠를 만든다.
공기 중에서의 풀러렌 실험과 관측 장비를 단 전자 실험의 공통점은, 공기 중에서의 풀러렌 실험에서는 공기와 풀러렌이 서로 상호작용을 했고 관측 장비를 단 전자 실험에서는 관측 장비의 광자와 전자가 서로 상호작용을 했다는 것이다. 즉 풀러렌 분자와 전자와 같은 입자들은 다른 입자들과 상호작용을 하기 전까지는 여러 개의 중첩된 상태를 가지고 있다가, 다른 입자들과 상호작용을 하는 순간 결어긋남 상태가 되어 더 이상 간섭을 일으킬 수 없으며, 파동성을 잃는 것(파동함수의 붕괴)과 같은 결과에 이른다.
슈뢰딩거의 고양이도 위의 풀러렌의 처지와 똑같다. 상자 안의 물체들이 각각 닫힌 계라면 외부 계는 그들의 상태를 관측할 수 없고 그들은 파동성을 잃지 않고 동시에 여러 상태를 갖게 될 것이다. 상자 안은 진공도 아니며 적외선과 같은 광자를 방출하고 있을 것이다. 즉, 이중 슬릿 실험에서의 전자와 진공에서의 풀러렌과는 다르게 상자 안의 고양이, 청산가리가 든 병, 가이거 계수기는 서로 의미있는 상호작용을 하는데다가 상자 안과 밖을 상자 자체가 연결해주기에 상자 자체부터가 완전한 고립계가 아니다. 다시 말해, 상자 밖과 안은 언제나 의미있는 상호작용을 하며 이는 언제나 상자 안이 관측되고 있음을 나타낸다. 그러므로 상자 속의 고양이는 상자를 열든 열지 않든 죽거나 살아있는 둘 중 하나의 분명한 상태를 가진다. 그러므로 현대에서 다루는 슈뢰딩거 사고실험의 해석의의는 어디까지나 양자역학의 근본적인 개념을 다루기 위한 사고실험이다.[7]
실험의 해석 [ 편집 ]
코펜하겐 해석 [ 편집 ]
가장 많이 받아들여지고 있는 설명이다. ‘상자를 열어보기 전에는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩되어 있었으나 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다’라는 해석이다. 이것을 간단히 “파동함수가 붕괴된다”고 표현한다. 일반적으로 받아들여지는 코펜하겐 해석에 따르면, 이 실험에서는 관측자가 상자를 여는 동시에 상태가 고정된다. 즉 대상에 대한 관측 행위가 대상의 상태를 결정한다는 것이다.
단, 코펜하겐 학파라고 해서 “파동함수가 붕괴하는 것”을 납득하는 것은 아니다. 예를 들어 중력에 의해 땅으로 떨어지는 사과가 지면에 도달하는 즉시 더 이상 진행하지 않고 멈추는 것은 중력의 인력보다 훨씬 더 큰 전자기력의 척력에 막혔기 때문이지, 사과가 지면에 도달하는 즉시 중력이 붕괴했기 때문이 아니다.
관측이 되면 그 즉시 파동함수가 붕괴한다는 것도 납득될 수 없는 문제다. 현재로는 도저히 그 이유를 알 길이 없으니 일단 그런 것으로 해두자는 게 코펜하겐 해석의 입장으로, 사실 코펜하겐 해석은 어떤 해석을 내놓는 것이라기 보단 해석을 유보하는 것으로 보는게 더 적절하다. 아인슈타인의 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 발언에 대한 보어의 “신에게 참견하지 말라”는 답변이 코펜하겐 해석의 입장을 함축한다고 할 수 있다.[8]
다중세계 해석 [ 편집 ]
휴 에버렛 3세가 만든 해석으로, ‘상자를 열어보기 전에는 살아있는 세계와 죽어있는 세계가 모두 존재하며 관측하는 순간 어떤 한 쪽의 세계로 진입하게 된다’라는 해석. 핵이 붕괴하는 순간이 분기점이 되어 고양이가 살아 있는 세계와 고양이가 죽은 세계가 분리되어 평행 우주가 되고 서로에게 영향을 주지 않는다고 해석한다.
이 이론에서 파동함수는 각각의 세계로 진입할 확률을 뜻하게 된다. 이 해석이 물리학자들의 지지를 받는 이유는 파동함수의 붕괴라는 납득하기 힘든 답을 피할 수 있음과(이 관점에 따르면 파동함수는 관측 전이든 관측 후든 잘 작동한다. 다만, 파동이 붕괴하는 대신 결어긋남 상태에 놓이게 된다.) 동시에 외관상 파동함수가 붕괴되어 보이는 이유를 매끄럽게 설명하기 때문이다.[9]
코펜하겐 해석과 함께 파동함수의 붕괴를 설명하기 위해 경쟁하는 가장 중요한 이론으로, 전통적인 코펜하겐 해석 쪽이 정설이지만 다중세계 해석쪽도 지지하는 과학자도 있다.
앙상블 해석 [ 편집 ]
앙상블 해석에서는 양자 물리학의 확률의 문제를 통계적으로 해석한다. 다시 말해 상자 속의 고양이가 살아있을 확률이 50%이고 죽어 있을 확률이 50%라는 것은, 한 마리의 고양이가 죽은 상태와 살아 있는 상태가 중첩된 상태에 있다는 것이 아니라, 많은 고양이가 같은 상태에 있을 때 그 중의 반은 죽어 있고 반은 살아 있다는 것을 뜻한다는 것이다. 예를 들어 방사성 원소와 고양이가 든 상자가 1억 개 있을 때, 한 시간 후에 그 중의 5,000만 상자의 고양이는 살아 있고 나머지 5,000만 상자 속의 고양이는 죽어 있다고 통계적으로 해석한다.
앙상블 해석을 전자와 같은 작은 입자들에도 적용하면 이해하기 어려웠던 많은 문제가 쉽게 이해되는 듯 보인다. 앙상블 해석을 적용하면 확률함수는 전자가 다른 에너지를 가지는 여러 가지 상태로 중첩되어 있다는 것이 아니라, 수없이 많은 전자가 여러 가지 다른 상태에 있을 확률을 나타낸다고 설명할 수 있다. 비슷한 예로, 광자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 것이 아니라 수많은 광자 중의 절반이 한 슬릿을 통과하고 다른 반이 또 다른 슬릿을 통과한다고 설명할 수 있다.
아인슈타인은 앙상블 이론을 발전시켜 숨은 변수이론을 제안했다. 양자 물리학에서 입자 하나하나가 어떤 상태에 있는지 알 수 없는 것은 입자의 상태를 결정하는 변수를 우리가 다 알지 못하기 때문이라는 것이다. 양자물리학이 확률을 포함하게 된 것은 입자 하나하나의 상태를 결정하는 숨은 변수를 알지 못하기 때문에, 이런 숨은 변수를 알게 된다면 양자물리학도 확률에 의해서가 아니라 결정론적으로 서술할 수 있다고 주장했다.
그러나 이러한 앙상블 해석을 받아들이면 양자물리학이 입자 하나의 물리적 상태를 수학적으로 기술할 수 없다는 것을 인정할 수밖에 없다. 따라서 코펜하겐 해석을 받아들인 과학자들은 양자물리학에는 파동함수 이외에 다른 변수가 존재하지 않으며, 물리적 실재가 따로 존재하는 것이 아니라고 이들의 주장을 반박했다.[10]
같이 보기 [ 편집 ]
참고 문헌 [ 편집 ]
외부 링크 [ 편집 ]
알아두면 쓸모 있는 양자역학 이야기 – 슈뢰딩거의 고양이와 양자중첩
‘양자역학 이야기’ 시리즈를 연재하며 우리가 분명하게 알게 된 사실이 있다. 빛과 물질은 ‘입자면서 동시에 파동’이라는 것. 이것은 마치 사람이 ‘남자면서 여자이다’라는 이해하기 힘든 표현과 비슷하다. 이 개념은 우리의 직관으로는 쉽게 납득할 수 없지만 이중 슬릿 통과 실험을 통해 입증된, 많은 학자들이 인정하는 양자 역학의 기본적 사실이다. 이러한 양자의 이중성을 조금 더 정확하게 표현하자면 ‘양자중첩(quantum superposition)’이라고 하며, 여러 가능성을 동시에 갖는 상태를 말한다.
우리가 물체를 관찰할 때 이미지는 망막에 전달되어 연속적인 것으로 보이게 되며, 초당 24프레임으로 구성된 애니메이션도 연속적인 영상으로 느끼게 한다. 1/24초로 나눠서 본다면 분명 불연속적인 정지 그림임에도 우리에겐 연속적으로 보인다. 멈춰진 상태1과 상태2가 중첩되어 우리에겐 연속된 상태로 보이는 것이다. 이것이 중첩이며, 거시세계가 아닌 미시 양자세계로 가면 양자중첩이라는 현상이 발생한다.
원자의 모습은 흔히 태양계와 같이 전자가 원자핵의 궤도를 도는 형태로 표현되지만, 앞서 다룬 전자의 확률분포 모델이 양자중첩을 표현하기에는 조금 더 적합하다. 즉, 전자가 원자의 영역 안에서 정확히 어디에 있는지는 알 수 없으므로, 발견 될 위치의 확률을 따져서 이를 그래픽으로 표현한 전자 구름 형태가 양자세계의 중첩을 표현하기에 알맞다. 특이한 것은 입자와 파동의 상호 별개의 상태의 것이 겹치고 겹쳐서 새로운 상태를 만들고 있다는 점이다. 즉, 0 아니면 1인 별개의 상태가 중첩되어 0~1사이의 어중간한 상태를 나타낼 수 있게 된다. 이를 활용하는 것이 바로 양자 컴퓨터이고, 개념적으로 중첩을 설명한 실험이 ‘슈뢰딩거의 고양이’다. 그럼 좀 더 자세히 들어가 보자.
슈뢰딩거 고양이는 양자이다
▲ 슈뢰딩거 (출처: 위키백과)
미시세계에서 전자(입자)가 파동이 될 수 있다는 것을 이해했다면, 거시세계에서도 이들의 중첩개념을 설명할 수 있을까? 즉, 입자와 파동의 중첩 상태가 거시세계에서도 관찰될 수 있을까?
빛의 속도에 비해 무한히 느린 물체들은 거시세계에서는 물질파를 관찰할 수 없게 만든다. 예를 들면 투수가 공을 던졌을 때 이 공이 지닌 물질파의 파장은 10-50 nm 정도로 짧아, 파동이 아닌 하나의 수평선처럼 보이게 된다. 즉, 파동특성이 없는 것처럼 보이는 것이다. 파동방정식으로 나타나야 존재확률로 중첩을 설명할 수 있으며, 거시세계에 대한 양자중첩을 설명할 수 있기 때문이다.
양자중첩의 개념은 보어와 보른이 속한 학파가 주장한 코펜하겐 해석에서 시작됐다. 거시세계와 미시세계를 나누는 관점을 기반으로, 양자의 상태는 관찰(측정) 여부에 따라서 사후에 결정된다는 것이다.
하지만 슈뢰딩거는 그런 일은 있을 수 없다고 하며, 아래와 같은 실험을 상상해 보라고 했다.
▲ 슈뢰딩거의 고양이 실험 (출처: 위키백과)
이 실험에는 원자와 고양이 한 마리가 등장한다. 고양이는 밖에서 보이지 않는 상자 속에 들어있고, 원자는 A 상태(예를 들면 입자)일 수도 있고 B 상태(예를 들면 파동)일 수도 있다. 원자가 A상태라면 그림 속 기계장치는 움직이지 않지만, 원자가 B 상태라면 기계가 움직여 독약이 든 병을 깬다. 그리고 고양이는 숨을 거둘 것이다. 그렇다면 원자가 현재 A, B 중에 결정되지 않은 중첩상태라고 가정한다면, 상자 속 고양이는 살아있는 것인가 아니면 죽어있는 것인가? 고양이는 거시세계의 존재인데, 중첩을 주장한 코펜하겐 해석은 어떻게 받아들여야 하는가?
슈뢰딩거가 제시한 이 실험은 보른이 제시한 양자상태의 중첩을 부정하기 위해 구상한 것이다. 그러나 궁극적으로 고양이의 생사에 관한 역설은 거시세계에 대한 양자 확률과 상태의 중첩이라는 개념을 설명하는데 좋은 예가 되고 있다.
슈뢰딩거의 사고실험은 거시세계의 고양이를 미시세계로 확장하여 설명하고자 했다. 사실 거시세계 고양이의 생사는 중첩되지 않는다. 파동이 구분 가능한 미시세계는 파동의 중첩이 자연스럽게 발생할 수 있으나, 고양이와 거시세계에서는 고양이가 지닌 파장이 너무 짧아서 둘 중 하나의 상태만을 갖게 된다. 아직 슈뢰딩거 고양이의 역설은 완전히 해결되지는 않았다. 일부 이를 설명할 이론들이 있기는 하지만 명확하지는 않다. 하지만 이러한 문제를 일으키는 원인인 미시세계와 거시세계의 경계가 어디쯤인지 알기 위한 탐구는 분자를 이용한 실험 등을 통해 계속 되고 있다.
양자중첩을 이용한 컴퓨팅
20세기 최고의 수학자이자 컴퓨터 원리를 만들어낸 폰 노이만의 사고에서는 0, 1 둘로만 세상을 정의할 수 있고, 이를 반영하듯이 컴퓨터의 시초 ‘2진법’을 탄생시켰다. 현대의 전자식 컴퓨터는 반도체를 사용하므로, 전기가 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 두는 방식으로 계산하며, 0 또는 1, 둘 중 하나의 값을 가지는 이 기본 단위를 비트(bit)라고 부른다.
최근 미래의 컴퓨터 기술로 자주 언급되는 양자 컴퓨터는 바로 0과 1의 상태를 넘어서는 중첩을 활용하는 대표적인 개념이다. 양자 컴퓨터에서는 하나의 비트가 동시에 0과 1을 갖는 것을 허용한다. 이것을 퀀텀 비트(quantum bit)라고 하며, 줄여서 큐비트(qubit)라고 한다. 큐비트는 0과 1의 상태가 중첩되어 있어서 관측하는 순간 0 또는 1로 결정된다. 따라서 2개의 큐비트만으로 00, 01, 10, 11을 나타낼 수 있다.
기존의 2진법에서는 0과 1이라는 고정된 값만을 나타냈지만, 큐비트는 중첩된 상태를 지니고 있기에 관측하기 전에는 해당 정보를 알지 못한다. 이는 양자 암호화에도 활용할 수 있다. 제대로 된 열쇠가 있어야만 0, 1의 정보를 얻을 수 있게 된다. 양자중첩 개념은 암호화에도 혁신을 가져올 수 있다.
최근 제시되고 있는 3진법 컴퓨터는 엄밀히 양자 컴퓨터는 아니지만 0, 1 상태만이 아닌 중간상태에서도 컴퓨팅이 가능함을 보인다. 즉, 전기가 흐리지 않는 0인 상태와 전기가 흘러서 정보처리가 가능한 1인 상태 이외에 누설전류(터널링과 유사)가 발생하는 상태가 존재하고, 이 상태도 정보처리에 활용 가능함을 보이는 것이 3진법 컴퓨팅으로 양자 컴퓨터의 개념이 일부 활용되고 있다고도 볼 수 있다.
양자중첩, 물리학을 철학의 세계로 확장하다
슈뢰딩거와 앙숙 관계였던 하이젠베르크도 양자중첩 상태를 인정했다. 즉, 불확정성의 원리에 의해 전자나 입자의 위치량과 운동량을 정확하게 알아낼 수 없기에, 그중 하나의 명확한 값을 갖는 상태(정지 사진과 같이 위치량이 명확한 상태)는 수많은 상태의 중첩에 해당한다고 할 수 있다. 개인의 삶에 적용하자면, 나라는 존재는 과거 어떠한 선택을 했느냐에 따라서 서로 다른 무한대의 결과를 만들었을 것이고, 그것들이 모두 별개의 상태를 나타낸다. 따라서 지금의 나는 과거의 선택들이 쌓이고 쌓여 만들어진 별개의 상태들이 중첩된 상태이다.
이런 별개의 상태를 인정하는 순간, 사실 다중 우주를 인정하게 된다. 필자가 양자 역학 원고를 쓸지 말지 결정하는 시점으로 돌아갔다고 가정해 보자. 만약 쓰지 않기로 했다면 지금 이론 소개를 위한 이런저런 고민을 하지 않고 지내고 있었을 것이다. 하지만 글을 쓰기로 선택 했기에 하나의 우주가 펼쳐진 것이다. 다중 우주 이론에 따르면, 글을 쓰지 않기로 결정한 우주는 그에 따른 방향으로 진행되고 있다고 할 수 있다. 어쨌든 필자의 선택이 지금 시점의 내게는 별다른 영향을 주지는 않았겠지만, 이 글을 보고 어떤 정보 또는 지식이라도 알게 되었을 누군가에게는 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 양자중첩은 당사자에게는 느끼지 못하는 선택의 순간이 되지만, 관찰자나 후대 영향을 받는 존재 입장에서는 나비의 날갯짓처럼 무한대에 가까운 선택지를 두게 만든다.
양자중첩에 기반한 다중 우주 이론은 아직 소수의 물리학자들이 지지하는 아이디어 차원의 이론이기는 하다. 하지만 자연철학에서 시작한 뉴턴의 고전 역학이 미시세계에 대한 이해로 이동하면서 양자 역학은 철학의 영역으로도 범위를 확장하는 듯하다.
슈뢰딩거의 고양이 실험 이란?
아뾰오옹
슈뢰딩거의 고양이란?
슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해서 1935년 에르빈 슈뢰딩거가 고안한 사고실험 입니다.
슈뢰딩거
슈뢰딩거의 고양이 사고실험 내용
사고실험의 자세한 내용은 다음과 같습니다.
상자 안에는 살아있는 고양이 한마리, 청산가리가 든 유리병, 방사성물질인 라듐, 방사능을 검출하는 가이거 계수기 그리고 망치가 들어있습니다. 라듐 핵이 붕괴하면 가이거 계슈기가 이를 탐지하고 그러면 상자속 망치가 유리병을 내려치게 되는데, 이 때 유리병 속에 청산가리가 유출되면서 고양이가 죽게됩니다.
라듐이 붕괴될 확률은 1시간 뒤 50퍼센트의 확률을 가집니다. 1시간 뒤에 고양이는 죽었을까 살았을까 하는 내용의 사고실험입니다. (외부에서는 절대로 상자 안을 볼 수 없습니다.)
즉, 1시간 후에 절반의 확률로 고양이가 죽게 됩니다. 당신은 그 상황을 전혀 볼 수가 없습니다.
슈뢰딩거가 위와 같은 사고실험을 제기했던 이유는 양자역학은 불완전하며 현실적이지 않음을 말하기 위함이었습니다. 양자역학에 따르면 관측하지 않은 핵은 ‘붕괴한 핵’과 ‘붕괴되지 않은 핵’의 중첩으로 표현합니다. 양자역학의 세계에서는 이 상자를 열기 전까지 삶과 죽음이 함께 있다고 합니다. 슈뢰딩거는 고양이의 생존에 대해서 삶과 죽음이 공존하는게 상식적으로 말이 안되는 것을 말하기 위함이었습니다.
슈뢰딩거고양이사고실험의 해석
코펜하겐 해석
가장 많이 받아들여지고 있는 설명입니다. ‘상자를 열어보기 전에는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 ‘중첩’ 되어 있었으나 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다’ 라는 해석이에요. 이것을 간단히 “파동함수가 붕괴된다”고 표현합니다. 일반적으로 받아들여지는 코펜하겐 해석에 따르면, 이 실험에서는 관측자가 상자를 여는 동시에 상태가 고정되게 됩니다. 즉 대상에 대한 관측 행위가 대상의 상태를 결정한다는 것입니다.
단, 코펜하겐 학파라고 해서 “파동함수가 붕괴하는 것”을 납득하는 것은 아닙니다. 예를 들어 중력에 의해 땅으로 떨어지는 사과가 지면에 도달하는 즉시 더 이상 진행하지 않고 멈추는 것은 중력의 인력보다 훨씬 더 큰 전자기력의 척력에 막혔기 때문이지, 사과가 지면에 도달하는 즉시 중력이 붕괴했기 때문이 아니다.
관측이 되면 그 즉시 파동함수가 붕괴한다는 것도 납득될 수 없는 문제입니다. 이유는 모르지만 외관상 그렇게 보이고 현재로는 도저히 그 이유를 알 길이 없으니 일단 그런 것으로 해두자는 게 코펜하겐 해석의 입장으로, 사실 코펜하겐 해석은 어떤 해석을 내놓는 것이라기 보단 해석을 유보하는 것으로 보는게 더 적절합니다. 아인슈타인의 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 발언에 대한 보어의 “신에게 참견하지 말라”는 답변이 코펜하겐 해석의 입장을 함축한다고 할 수 있겠습니다.
다중세계 해석
휴 에버렛 3세가 만든 해석으로, ‘상자를 열어보기 전에는 살아있는 세계와 죽어있는 세계가 모두 존재하며 관측하는 순간 어떤 한 쪽의 세계로 진입하게 된다’ 라는 해석입니다. 핵이 붕괴하는 순간이 분기점이 되어 고양이가 살아 있는 세계와 고양이가 죽은 세계가 분리되어 평행 우주가 되고 서로에게 영향을 주지 않는다고 해석하는 것입니다.
이 이론에서 파동함수는 각각의 세계로 진입할 확률을 뜻하게 됩니다. 이 해석이 물리학자들의 지지를 받는 이유는 파동함수의 붕괴라는 납득하기 힘든 답을 피할 수 있음과 동시에 외관상 파동함수가 붕괴되어 보이는 이유를 매끄럽게 설명하기 때문입니다.
코펜하겐 해석과 함께 파동함수의 붕괴를 설명하기 위해 경쟁하는 가장 중요한 이론으로, 전통적인 코펜하겐 해석 쪽이 정설이지만 다중세계 해석쪽도 지지하는 과학자가 많다.
앙상블 해석
앙상블 해석에서는 양자 물리학의 확률의 문제를 통계적으로 해석합니다. 다시 말해 상자 속의 고양이가 살아있을 확률이 50%이고 죽어 있을 확률이 50%라는 것은, 한 마리의 고양이가 죽은 상태와 살아 있는 상태가 중첩된 상태에 있다는 것이 아니라, 많은 고양이가 같은 상태에 있을 때 그 중의 반은 죽어 있고 반은 살아 있다는 것을 뜻한다는 것입니다. 예를 들어 방사성 원소와 고양이가 든 상자가 1억 개 있을 때, 한 시간 후에 그 중의 5,000만 상자의 고양이는 살아 있고 나머지 5,000만 상자 속의 고양이는 죽어 있다고 통계적으로 해석합니다.
앙상블 해석을 전자와 같은 작은 입자들에도 적용하면 이해하기 어려웠던 많은 문제가 쉽게 이해되는 듯 보인다. 앙상블 해석을 적용하면 확률함수는 전자가 다른 에너지를 가지는 여러 가지 상태로 중첩되어 있다는 것이 아니라, 수없이 많은 전자가 여러 가지 다른 상태에 있을 확률을 나타낸다고 설명할 수 있습니다. 비슷한 예로, 광자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 것이 아니라 수많은 광자 중의 반(1/2)이 한 슬릿을 통과하고 다른 반(1/2)이 또 다른 슬릿을 통과한다고 설명할 수 있습니다.
아인슈타인은 앙상블이론을 발전시켜 숨은 변수이론을 제안했다. 양자 물리학에서 입자 하나하나가 어떤 상태에 있는지 알 수 없는 것은 입자의 상태를 결정하는 변수를 우리가 다 알지 못하기 때문이라는 것이다. 양자물리학이 확률을 포함하게 된 것은 입자 하나하나의 상태를 결정하는 숨은 변수를 알지 못하기 때문에, 이런 숨은 변수를 알게 된다면 양자물리학도 확률에 의해서가 아니라 결정론적으로 서술할 수 있다고 주장합니다.
그러나 이러한 앙상블 해석을 받아들이면 양자물리학이 입자 하나의 물리적 상태를 수학적으로 기술할 수 없다는 것을 인정할 수 밖에 없습니다. 따라서 코펜하겐 해석을 받아들인 과학자들은 양자물리학에는 파동함수 이외에 다른 변수가 존재하지 않으며, 물리적 실재가 따로 존재하는 것이 아니라고 이들의 주장을 반박했습니다.
[동향]양자역학의 비밀 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 구현
2007-08-16
고등과학원은 “호주 퀸즐랜드대학 연구원 정현석 박사가 프랑스 실험팀과 함께 양자역학의 비밀인 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 증명하는 데 성공, 그 결과를 8월 16일 네이처지에 게재한다”고 전했다.
‘진행하는 빛의 슈뢰딩거 고양이 상태’는 지난 20여 년간 이론적으로만 그 구현 가능성이 논의되어 왔을 뿐 현재 기술로 만들어 낼 수 있는 가능성은 매우 희박했던 것으로, 2006년 초 정현석 박사가 슈뢰딩거 고양이 상태보다 광자의 수 상태(광자의 개수가 잘 정의된 빛의 상태)가 비교적 만들기 쉽다는 점에 착안하면서 실험의 실마리를 찾게 됐다.
‘슈뢰딩거의 고양이 상태’는 양자 물리학의 창시자 중 한 사람인 오스트리아의 과학자 슈뢰딩거가 제안한 사고 실험(thought experiment)에 등장하는 고양이에서 유래된 용어이다. 일반적인 상식과 경험에 의하면 고양이는 살아 있는 상태 혹은 죽어 있는 상태로 있을 수밖에 없다.
하지만 양자역학에 의하면 밀폐된 상자 안의 고양이는 상자를 여는 “측정 행위”가 일어나기 전에는 살아 있지도 죽어 있지도 않은 두 상태가 동시에 중첩된 기묘한 양자 상태로 존재할 수 있게 된다. 즉, ‘슈뢰딩거 고양이 상태’는 마치 슈뢰딩거의 역설에 등장하는 고양이와 같이 거시적으로 구별이 가능한 두 상태의 양자적 중첩을 지칭하는 말이다.
양자 중첩이란 양자컴퓨터의 정보단위인 양자비트 또는 큐비트에서 0과 1이 조화롭게 중첩된 상태를 말하며, 양자비트 세 개는 8가지, 네 개는 16가지 하는 식으로, 양자비트 하나가 늘어날 때마다 ‘동시에’ 나타낼 수 있는 정보가 2배씩 기하급수적으로 늘어난다. 이와 같은 원리로 양자컴퓨터가 실현되면, 현존하는 최고의 컴퓨터를 모아놓아도 우주의 나이 150억년보다 긴 시간이 걸릴 계산을 단 몇 분 만에 해치울 수 있다.
양자컴퓨터의 실현을 위해서는 양자 중첩을 만들어내는 것이 관건이다. 그러나 양자 중첩을 만들어내는 것은 쉽지 않고 설사 만들어 냈다고 하더라도 주변 환경의 영향에 의해 급히 “죽어 있는 상태”나 “살아 있는 상태” 둘 중 하나로 전이되어 버리므로 매우 구현하기 어려운 것으로 알려져 왔다.
이와 관련해 정현석 박사는 “기존에 알려진 실험 기술들을 이용해 먼저 광자들을 생성시킨 후 반거울로 생성된 광자 빔을 둘로 나누고, 나누어진 빔의 한쪽에 특별한 광학적 측정을 가해서 다른 한쪽에 슈뢰딩거 고양이 상태가 만들어지도록 했다”고 밝혔다.
결국 정 박사와 프랑스 연구팀은 이러한 방식을 통해 거시적으로 뚜렷이 구별이 가능한 두 상태의 중첩을 만들어내고 측정하는 데 성공할 수 있었으며, 또한 초기에 생성된 광자의 개수를 늘임으로써 얼마든지 큰 거시적 양자 중첩을 만들어낼 수 있음을 증명했다.
이번 연구결과는 상대성이론과 함께 현대 물리학의 한 축인 양자역학의 근본적 원리에 보다 가까이 다가갈 수 있는 흥미로운 결과일 뿐 아니라 양자암호, 양자컴퓨터, 양자공간이동 등 미래의 양자정보기술에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
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