슈뢰딩거의 고양이

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Schrödinger's cat

1. 개요2. 설명
2.1. 이중 슬릿 실험을 통한 슈뢰딩거 고양이의 이해와 검증2.2. 현실세계로 나올 수 없는 상상 속의 고양이
3. 양자역학의 해석4. 관련된 최근 경향5. 대중문화에서6. 관련 문서

1. 개요[편집]

애묘인, 동물보호단체, 그리고 많은 사람들이 슈뢰딩거를 싫어하게 된 실험

When I hear of Schrödinger's cat, I reach for my gun.
누가 슈뢰딩거의 고양이 얘기를 하는 걸 들으면 난 내 총을 꺼낸다.[출처][3]
- 스티븐 호킹


한 시간이나 되는 영상이지만 슈뢰딩거의 고양이를 이 짧은 시간에 이해할 수 있다면 가치 있는 한 시간이 될 것이다. 슈뢰딩거의 고양이 이야기는 21분 40초부터 시작한다.

코펜하겐 해석비판하기 위해 오스트리아 태생의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 제창한 사고실험.

자신이 만든 파동방정식의 해(파동함수)가 확률을 뜻한다고 막스 보른(Max Born)이 주장하자 물리학에 불확정성이 도입된 꼴이 너무나도 참기 힘들었던 나머지 "그럼 니네들 말을 거시세계에 적용시켜 보자. 어떤 꼴이 나는지" 라는 식으로 고안한 사고실험이다. 상자 안의 원자 하나가 붕괴하는지 그렇지 않는지라는 작은 일에 따라 고양이를 죽이는 장치를 가정해, 원자 하나라는 극도로 미세한 상태를 고양이의 생존이라는 큰 일로 확대한 것이다.

즉 흔히 대중들에게 알려진 것과 달리 슈뢰딩거의 고양이 실험은 코펜하겐 해석비상식적인 면을 드러내어 비판하는 사고실험이다. 하지만 비유가 쉽고 자극적이고 재미있어 각종 대중매체에 자주 등장하여 일반인들에게는 양자역학에 대한 어떤 이야기보다 잘 알려져 있다. 슈뢰딩거가 뭘 했는지는 몰라도 이걸 통해서 슈뢰딩거라는 이름을 아는 사람은 많다. 양자역학을 비판하려고 고안해낸 사고실험이 양자역학이 무엇인지 가장 잘 나타내는 실험이 된 것을 보면 참 아이러니한 일.

2. 설명[편집]

사고 실험의 내용은 다음과 같다.

완전히 밀폐되고 불투명한[4] 상자 안에 고양이청산가리가 담긴 병이 들어있다. 청산가리가 담긴 병 위에는 망치가 있고 망치는 가이거 계수기와 연결되어있다. 방사선이 감지되면 망치가 내리쳐져 청산가리 병이 깨지는 구조고 결국 그 병이 깨지면 고양이는 중독되어 죽고 만다. 가이거 계수기 위에는 1시간에 50%의 확률로 핵붕괴해 알파선을 방사하는 우라늄 입자가 놓여있다.

이럴 경우 1시간이 지났을 때 고양이는 어떤 상태로 존재하는가? 실험자는 외부에 있기 때문에 관찰이나 간섭을 절대 할 수 없는 상태에서 대답을 해야 한다.


간단히 요약하자면 "1시간 후에 절반의 확률로 상자 안의 고양이가 죽는다. 정확히는 절반의 확률은 방사선이 뿜어질 확률이므로 수정하면 '절반의 확률로 병이 깨지고 병이 깨지면 고양이가 확실히 죽는다.'가 더 정확하다. 당신은 그 상황을 전혀 볼 수 없다. 1시간 후 상자 속의 고양이는 어떻게 되어있을까?"라는 것이다.

그러고 나서 슈뢰딩거는 '양자역학에 따르면 고양이는 삶과 죽음이 중첩된 상태라는데, 그런 고양이가 어디 있냐? 그러므로 양자역학은 틀렸을거야'라는 사족을 붙인다.

코펜하겐 해석죽음과 살아있음이 중첩된 상태, 즉, '죽음 or 삶'이 아니라 '죽음 and 삶'의 상태에 놓여 있다가, 관측에 의해 죽음과 살아있음이 확정된다는 답을 내놓는다.

슈뢰딩거는 특히 코펜하겐 해석에 있어서 무엇보다 과학적 사실이 관측과 무관한 결정론적인 것이 아닌 관측에 의해 확률적으로 결정된다는 점에 불만을 갖고 있었다. 아인슈타인도 학을 뗀 양자역학의 이 기묘한 성질은 '을 관측하는 사람이 아무도 없으면 달이 존재하지 않는 거냐?', '당신은 저 달이... 당신이 보고 있을 때에만 존재한다면 믿을 수 있겠소?'라는 비유로 표현되기도 한다. 그래서 이러한 점을 까기 위해 이러한 사고실험을 내놓게 된 것.

물론 이런 반론은 양자역학 내부에서도 비일비재하게 일어나는데, 이를 대표하는 것이 양자역학의 준입자(Quasi-particle)이다. 자동차가 사막을 고속으로 달릴 때, 자동차 뒷편으로 흙무리가 발생할 것이다. 자동차가 움직이는 물리계 전체의 운동현상을 추적하기 위해서는 자동차 자체의 상태도 알아야 하지만, 뒤에 따라 붙는 무수한 흙무리 속 흙입자들의 정보 또한 알아야 한다. 하지만 해당 계산은 무수히 많은 계산을 하는 어려움을 동반하므로 물리학자들은 다음과 같이 생각한다. '흙무리 덩어리를 싸 잡아 엄청나게 무거우면서 일반적이지 않은 흙입자 한 개로 보자.' 이렇게 근본적인 물질 성질은 입자가 아닌데도 입자로 볼 때 해당 입자를 준입자라 부른다. 다른 말로 하자면 보이지 않는다고 해서 해당 물리량의 정보가 측정되지 않는 것이 아니라 입자가 아닌 다른 형태들로 나타날 것이며, 준입자들로 표현된 정보들을 끌어모으면 관측하지 않은 실존하는 입자의 정보를 직접 보지 않고도 판단할 수 있게 된다.

그런 면에서 아래와 같은 예시는 오도적일 수 있다:

동전으로 긁는 복권을 샀다고 치자. 동전으로 긁기 전까지 이 복권이 당첨인지 꽝인지는 알 수 없다. 그러므로 이 복권에 대해서는 당첨복권이라는 주장도, 꽝복권이라는 주장도 양쪽 모두 성립한다. 긁어서 결과를 확인하기 전까지는.

수학잡지 수학동아에서 이 예시를 들어 많은 학생에게 혼란을 주었던 그 예시다.
위 예시는 엄밀히 따지면 슈뢰딩거의 고양이와 전혀 다르다. 코펜하겐 해석에서 슈뢰딩거의 고양이가 위 상황에서 '죽음과 살아있음이 중첩된 상태'라고 말하는 것은 결코 고양이가 '죽었는지 살았는지 모르는 것'이 아니다. 관측되기 전에는 두 상호배타적인 상태가 공존하는 것이고, 관측 후에는 둘 중 하나의 상태로 결정이 되는 것 뿐이다. 수학동아의 설명을 더 정확한 설명으로 바꾸자면, 긁기 전까지는 나는 복권에 당첨되었으며 동시에 그렇지 않은 상태가 되는 것이다.

그런 점에서 양자역학은 보통 결정론에 어긋나는 것으로 해석된다: 고전 물리학에서는 만약 초기 상태에 관련된 모든 정보를 다 알 수 있으면 확률의 도움에 기댈 필요없이 결과값을 정확히 알 수 있다. 오직 숨겨진 정보에 의해 초기 조건 및 숨은 변수를 알 수 없는 경우에만, 확률적 혹은 통계적으로 전체적인 경향성 혹은 큰 틀에서의 법칙을 규명할 뿐이다. 하지만, 이러한 고전역학에서의 확률과는 달리 양자역학에 있어서의 확률은 숨겨진 정보, 즉, 숨은 변수와는 원천적으로 관련이 없다. 숨겨진 정보를 알 수 없기 때문에 불가피하게 도입되는 고전적 확률과, 숨은 변수와 관련이 없이 원천적인 방식으로 작동하는 양자적 확률은 엄연히 다르다.

어디까지나 역설을 제시하는 목적의 사고실험의 대상이며, 진짜로 실험을 할 수는 없... 다고 생각했지만 기술이 발달하면서 단일 광자를 포섭할 수 있게 되고 비슷한 실험은 가능해졌다. http://physics.snu.ac.kr/hjeong/pdf/OST.13.3.18.pdf

철학적으로도 상당한 쟁점이 되는 주제이다. 당장 이 문제에 관심을 가진 아인슈타인, 보어 등 날고 기는 물리학자들부터가 "실재"니 "존재"니 하는 형이상학적 개념들을 거론하며 논쟁을 벌였던 것이다! 그런 면에서 양자역학 자체의 발전과는 무관하게 "도대체 '양자적 중첩' 같은 것이 뭐냐?"라는 철학적/물리학적 문제는 꾸준하게 제기되었다. 보다 자세한 내용은 양자역학의 해석 참조.

이상의 내용은 '관측'이라는 용어의 애매함 때문에 여러 위키러들에 의해 중구난방으로 서술된 감이 있는데, 아래의 내용들을 더 읽어보도록 하자.

2.1. 이중 슬릿 실험을 통한 슈뢰딩거 고양이의 이해와 검증[편집]

슈뢰딩거의 고양이가 삶과 죽음이 중첩된 상태로 존재한다는 것은 언어로 완벽하게 표현을 할 수도 없고, 일반적인 상식안에서 이해되지도 않는다. 간단한 실험을 통한 예시로 이게 도대체 무슨 소리인지 이해해보도록 하자.



텅 빈 실험실 안에 손전등[5]이 벽면을 비추고 있다. 손전등과 벽면 사이에 가림판을 설치하고 그 가림판에 충분히 좁은 기다란 구멍을 뚫는다. 이 구멍을 앞으로 A슬릿이라고 부른다. 이 A슬릿을 통과한 불빛은 벽면에서 어느 정도 퍼져보일 정도로(=파동성이 나타날 정도로[6]) 슬릿이 작아야 한다. 그리고 그 구멍 옆에 똑같은 구멍(앞으로 B슬릿이라고 부른다)을 하나 더 뚫고 손전등을 비춘다면 벽면에 비친 불빛은 어떻게 나타날까? 당신이 상식을 가진 일반인이라면 당연히 두 줄의 불빛이 생길 것이라고 답할 것이다. 하지만 놀랍게도 벽면에는 여러 줄의 불빛이 생긴다. 이는 회절[7]이라는 현상 후에 파동이 서로 간섭하는 현상에 의해 발생하는 것으로 A슬릿과 B슬릿을 동시에 통과한 불빛'들'이 서로 간섭을 하여 그 결과로 벽면에 간섭 불빛이 생긴 것이다. 즉, 우리는 벽면에 비치는 여러 줄의 간섭 불빛을 통해 빛이 파동임을 확실하게 증명할 수 있다.

만약 위의 실험에서 손전등으로 불빛을 비추는 대신 저 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. 혹은 널찍한 판대기를 구해다 거기다 도료를 바르고 벽에 설치해도 상관없다. 앞으로 이것을 감광판이라고 부른다. 위의 불빛과 마찬가지로 전자빔 발사기에서 발사된 전자빔은 이중 슬릿을 통과하여 선명한 간섭무늬를 감광판에 남기게 된다. 즉, 전자빔(=전자들의 다발, 혹은 연속적인 전자의 흐름)도 빛과 마찬가지로 파동인 것이다. A슬릿과 B슬릿을 동시에 통과한 연속적인 전자의 흐름'들'은 파동이기 때문에 당연히 서로 간섭을 하여 감광판에 간섭 무늬를 남긴다.

자, 여기서부터가 핵심이다. 이번엔 위의 전자빔 발사기에서 전자 다발들이(총으로 말하면 M60 기관총처럼 드르륵~ 하고 쏘는 것) 아니라 전자를 한 번에 하나씩(one at a time)(=불연속적으로, 쉽게 말해 권총 쏘듯이) 발사해 보도록 하자. 이번에도 어김없이 감광판엔 간섭 무늬가 남는다. 우리는 이를 통해 전자 다발들 혹은 연속적인 전자들의 흐름만이 파동이 아니라, 애초에 각각의 전자 하나하나가 그 자체로 (입자이면서 동시에) 파동임을 알 수 있다. 그런데 여기서 무언가 이상한 점을 눈치챘는가? 감광판에 간섭 무늬가 남기 위해선 A슬릿을 통과한 파동과 B슬릿을 통과한 파동(여기선 전자)이 서로 간섭을 일으켜야 하고, 서로 간섭을 일으키기 위해선 최소한 한 번에 두 개 이상의 전자가 발사되어 각각의 슬릿을 최소한 하나 씩의 전자가 동시에 통과해야 한다. 한 번에 하나씩 발사해서는 결코 이 전자는 감광판에 간섭 무늬를 남겨서는 안 된다. 하나의 전자가 두 개로 쪼개져서 각각의 슬릿을 동시에 통과한 것일까? 물론 그런 일은 있을 수 없다. 전자는 기본입자로 더 이상 쪼개지지 않는다. 그럼 기기의 오작동으로 한 번에 두 개 이상의 전자가 발생된 것일까? 아니다. 실험은 완벽하게 제어되어 있었다.

위의 의문을 정리해 보자. 감광판에 간섭 무늬가 남기 위해선 최소한 두 개 이상의 전자가 A와 B 각각의 슬릿을 따로, 그리고 동시에 통과해야 한다. 하지만 전자는 분명 한 번에 하나씩만 발사되었다. 그럼에도 불구하고 감광판엔 선명하게 간섭 무늬가 남아 있다. 그렇다면 우리는 하나의 결론에 도달할 수밖에 없다. 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 모두 통과했다! 사실 이 표현은 어폐가 있다. 이는 이 단락이 전체적으로 양자역학의 전반적인 설명 보다는 "삶과 죽음의 중첩"이라는 말이 가진 정확한 의미를 설명하기 위해 할애된 것으로, 이를 위해 코펜하겐 해석의 핵심적인 부분인 상보성의 원리에 대한 설명이 의도적으로 누락되어 있기 때문이다. 다만, "중첩"의 물리적인 의미를 이해하는데는 훨씬 편할 것이다. 코펜하겐 해석 자체부터 이미 1920년대에 나온 것으로 과학 기술과 지식의 발달에 힘입어 양자역학적 해석도 점점 발전해 오고 있으며, 현대적인 해석 중 하나로 파인만의 역사총합(sum of histories) 또는 경로적분(Path integral formulation) 설명이 좀 더 엄밀하다. (즉, 경로 적분은 이를테면 코펜하겐 해석의 신버전이라 할 수 있다.) 또한, 앞서 "입자이면서 동시에 파동"이라는 표현도 상보성의 원리와 배치되는 표현임에 주의하자. 참고적으로 이중 슬릿 실험 자체는 상보성의 원리와 깊은 연관이 있다. 전자의 경로를 직접 보지 못하고 간섭 무늬를 통해 확인할 수 밖에 없는 이유가 상보성 때문이다.

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. 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 없으며, 대중매체 속에 등장하는 슈뢰딩거의 고양이는 거의 100% 잘못 인용되었다고 봐도 크게 틀리지 않다. 즉, 일반적인 확률의 개념과 양자역학에서의 확률은 근본적으로 다르다.


2.2. 현실세계로 나올 수 없는 상상 속의 고양이[편집]


고양이가 삶과 죽음이 중첩된 상태로 존재한다는 어처구니 없는 말이 사실이라고 반문을 제기할 수도 있을 것이다. 사실 이에 대한 정답은 이미 밝혀놓았다. 슈뢰딩거의 고양이 실험은 실제로 재현할 수 없다. 즉, 현실 속의 고양이는 삶과 죽음이 확정된 상태에 있으며, 우리가 이를 확인하기 위해선 직접 뚜껑을 열어봐야 한다. 즉, 슈뢰딩거의 고양이는 고전적 확률을 따르게 된다. 그 전에 유리가 깨지는 소리가 들린다. 깨지는 소리를 듣는 것도 관측이다. 관측을 하지 않으려면 완벽하게 방음이 되는 상자에서 실험을 진행해야 한다. 전자의 뒷꽁무니를 쫓아다니는 건 잠시 멈추고, 처음으로 돌아가 슈뢰딩거가 고양이를 이용한 사고 실험을 제안하게 된 이유를 다시 돌이켜보자.

"미시세계에서 일어나는 일은 거시세계에서도 똑같이 일어나야 한다. 내가 만든 방정식이 확률을 뜻한다는 당신들의 주장이 사실이라면 거시세계에서도 똑같은 현상을 관찰할 수 있어야 한다. 그렇다면 (슈뢰딩거의 방정식을 따르는 한) 상자속의 고양이는 삶과 죽음이 중첩된 상태로 존재해야 하는데, 이런 일이 있을 수 있다고 생각하는가? 거시세계에서 일어날 수 없는 일은 미시세계에서도 일어날 수 없다. 그러므로 내가 만든 방정식이 확률을 뜻한다는 당신들의 주장은 틀렸다."


바로 이 얘기를 하기 위해 고양이를 이용한 사고 실험을 제안한 것이다. 슈뢰딩거의 주장에 논리상 허점은 최소한 그가 주장하던 당시에는 없었다. 하지만 우리는 이중 슬릿 실험을 통해 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 것을 목격했다. 미시세계에선 이런 해괴한 일이 분명히 벌어지고 있다. 비단 실험실에서 뿐만 아니라, 여러분의 주위 곳곳에서 지금 당장도 셀 수도 없을 만큼 일어나고 있다. 사실 이런 일이 벌어지지 않는다면 태양은 빛을 발하지 않으며 그 어떤 생명체도 지구에서 존재할 수 없다. 아니, 그 이전에 세상 만물이 붕괴해버리고 만다. 이론상 가능하다거나 수학적으로 계산된다는 문제가 아니라, 실존할 뿐만 아니라 세상 만물을 지탱하는 강력한 원천임을 잊지 말도록 하자.

그렇다면 거시세계에서도 한 마리의 고양이가 두 개의 슬릿을(물론 이 슬릿은 고양이가 통과하기에 충분히 커야 할 것이다.) 동시에 통과하는 일이 벌어져야 마땅할텐데, 왜 우리는 그런 장면을 결코 목격할 수 없는가? 전술한 바와 같이 상보성 원리에 의해 전자가 됐든 고양이가 됐든 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 것을 직접 목격하는 것은 불가능하다. 하지만 우리는 간섭무늬를 통해서 두 개의 슬릿을 동시에 통과했다는 사실을 확인할 수 있다. 고양이는 결코 간섭무늬를 남기지 않는다. 물론 불쌍한 고양이를 괴롭히는 대신(...) 적당한 물체를 사용해서 여러 실험이 진행되었다.

이 의문을 해결하기 위해 이제 거시세계와 미시세계의 경계를 들여다 보도록 하자. 다행히 이에 적당한 녀석이 존재한다. 풀러렌[8]을 이용한 이중 슬릿 실험 결과를 살펴보자. 플러렌의 크기는 앞에서 실험한 전자와는 비교가 불가능할 정도로 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 세계에 속한다기에는 앞에 실험에 비해서는 무지막지하게 크고 거시적 세계에 속한다기에는 무지막지하게 작은(그래봤자 분자니까) 풀러렌으로 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. 진공의 여부가 실험에 어떤 영향을 끼친걸까?

이번엔 풀러렌이 아닌 전자 실험으로 다시 넘어가 이번에는 A슬릿과 B슬릿에 관측 장비를 달아서 전자가 어떤 슬릿을 통과하는지 확인해보도록 하자. 정말 전자는 A슬릿과 B슬릿을 동시에 통과하는 걸까? 하지만 놀랍게도 이번 실험에서는 전자는 A슬릿과 B슬릿 중 하나만 통과하며 간섭 무늬가 아닌 이중 띠를 만든다.

공기 중에서의 풀러렌 실험과 관측 장비를 단 전자 실험의 공통점은 무엇일까? 공기 중에서의 풀러렌 실험에서는 공기와 풀러렌이 서로 상호작용을 했고 관측 장비를 단 전자 실험에서는 관측 장비의 광자와 전자가 서로 상호작용을 했다. 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 것과 같은 결과에 이른다.
물론 간섭을 하지 않는다고 해서 파동이 아닌 것은 아니다. 예컨대 위에서 말했듯 손전등 불빛은 다양한 파장의 빛이 섞여 있어서 제대로 간섭무늬를 남기기 힘들지만 그렇다고 하더라도 엄연한 파동이다. 그러나 양자역학에서의 파동은 결국 간섭으로 귀결되므로 간섭성을 잃는 것은 곧 파동성을 잃는 것과 같다. 좀 더 이해하기 쉬운 예를 들자면 전자발사기에서 발사된 전자와 투수가 던진 야구공 모두 파동함수를 따르지만 투수가 던진 야구공은 파동처럼 행동하지 않는다.

그런데 풀러렌은 그 자체로 여러 개의 원자로 이루어져 있는데 1번이 2번을, 2번이 3번을... 이런 식으로 서로가 서로를 관측(서로간의 상호작용을)하지 않나? 어째서 진공 속의 풀러렌을 서로가 서로를 관측하는데도 불구하고 진공 속에서 여러 개의 상태를 동시에 가질 수 있을까? 그건 풀러렌은 서로가 서로를 관측하지만 그 정보를 자기네들끼리만 공유하고 있기 때문이다. 즉 풀러렌 그 자체는 닫힌 계(고립계)로서 외부와는 상호 작용을 하지 않기 때문에 진공 상태에서 풀러렌이 중첩된 상태를 갖고 있을 수 있는 것이다.

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. 하지만 상자 안의 물체들이 각각 닫힌 계인가? 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 카운터는 서로 의미있는 상호작용을 하는데다가 상자 안과 밖을 상자 자체가 연결해주기에 상자 자체부터가 완전한 닫힌 계가 아니다. 즉 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.

실은 실험 결과를 가장 잘 알고있는것, 즉 자신이 죽었는지 살아있는지를 잘 아는 존재는 상자안의 고양이라 카더라. 근데 죽은 고양이가 자신이 죽었는지를 어떻게 알지? 유진 위그너가 이 문제를 지적하였다. 고양이의 생사여탈권을 쥐는 주체가 사람이어야 하는지? 아니면 같은 고양이어야 하는지? 그것도 아니라면 아예 다른 종의 동물이라도 무관한지? 등의 의문을 제기하였다. 이 의문은 궁극적으로는 '나'의 상태를 결정하는 주체는 누구인가? 라는 질문이 된다. 일부 물리학자들은 그 주체를 위그너의 친구라고 부른다.

3. 양자역학의 해석[편집]

슈뢰딩거의 고양이 역설에 대한 해석에는 크게 두 가지가 있다. 그 외의 여러 해석들은 양자역학의 해석 문서 및 여기를 참조.

3.1. 코펜하겐 해석[편집]

전자의 이중 슬릿 실험을 예로들어 설명하자면 전자의 파동성을 보이는 상태에서 전자의 입자성을 관측하려는 순간 파동함수가 수축(붕괴)하면서 파동성은 사라지게 된다는 것 - 파동성과 입자성이 동시에 나타나는 일은 없다는 것을 해석하는 방법 아래는 더 자세한 설명.

가장 많이 받아들여지고 있는 설명으로 '상자를 열어보기 전에는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 '중첩'되어 있었으나 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다'는 해석. 이것을 간단히 "파동함수가 붕괴된다"고 표현한다.[9] 아인슈타인의 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"는 발언에 대한 보어의 "신에게 참견하지 말라(Einstein, stop telling God what to do)"는 답변이 코펜하겐 해석의 입장을 함축한다고 할 수 있겠다.

보어는 코펜하겐 해석을 내놓을 때 부터 이미 양자역학은 완성되어 있다고 확신하고 있었다. (양자역학이 더 이상 발전할 가능성이 없다는 얘기가 아니라 양자역학의 골격이 완성되어 있다는 의미다.) 이는 상보성의 원리를 증명하면서 확실하게 드러난다. 예를 들어, 물리적 상태를 관측함에 있어 파동으로 관측할 때는 파동으로만 보이고 입자로 관측할 때는 입자로만 보이는 이유가 측정 기술이 부족해서 물리적 본질을 관측하지 못 하기 때문이 아니다. 원래 자연 법칙이 그렇게 이루어져 있기 때문에 측정 기술과는 완전히 무관하게 관측 가능한 정보는 무조건적으로 입자 혹은 파동의 상태일 뿐이고 그 실체적 본질은 결코 관측되지 않는다는 것이다. 즉, 양자역학이 아직 미완성이기 때문에 상보성의 원리가 나오는 것이 아니라, 상보성의 원리에 의해 양자역학은 완성되는 것이다.

3.2. 다세계 해석[편집]

휴 에버렛 3세가 제창한 '다세계 해석' 으로, '상자를 열어보기 전에는 살아있는 세계와 죽어있는 세계가 모두 존재하며 관측하는 순간 어떤 한 쪽의 세계로 진입하게 된다'는 해석. 이 이론에서 파동함수는 각각의 세계로 진입할 확률을 뜻하게 된다. 이 해석이 물리학자들의 지지를 받는 이유는 파동함수의 붕괴라는 납득하기 힘든 답을 피할 수 있음(이 관점에 따르면 파동함수는 관측 전이든 관측 후든 잘만 작동한다. 다만, 파동이 붕괴하는 대신 결어긋남 상태에 놓이게 된다.)과 동시에 외관상 파동함수가 붕괴되어 보이는 이유를 매끄럽게 설명하기 때문이다.[10] 가능한 모든 세계가 실제로 모두 존재한다는 이 이론은 그 매력으로 수많은 소설, 만화와 게임의 떡밥이 되었다. 아예 이 패러독스를 소설의 주된 내용으로 쓴 '쿼런틴(Quarantine)' 이라는 SF 소설까지 있을 정도.[11] 평행세계 지지자들이 좋아합니다

이 두 해석은 특히 측정시 파동함수의 붕괴를 설명하기 위해 경쟁하는 가장 중요한 이론으로, 전통적인 코펜하겐 해석 쪽이 정설이지만 다세계 해석쪽도 지지하는 과학자가 많다.

4. 관련된 최근 경향[편집]

실제로 고양이를 가지고 실험을 한 것은 아니지만 아로슈의 실험 성공을 통해 단일 광자를 포섭해서 원자(일종의 거시 단위)와의 상호작용 실험을 하는 것이 가능해졌다. 반사율 99.971%인 초전도체를 이용한 실험인데, 이 실험의 의의를 설명하자면 소위 관찰자의 관측 행위라고 불리는 것이 없이도 자연 상태에서 결맺음, 결깨어짐 현상이 일어나는 것을 확인했다는 것이다. 고로 양자역학적 현상은 외부의 인위적 관찰자라는 단위가 존재하지 않아도 항시 일어나는 것으로 결론이 났다. 또한 이 실험은 그간 이론적으로만 알려져 있던 '중첩 상태'를 실제로 구현한 것에 그 의의가 있기도 하다.

또한 이러한 실험도 있다.

슈뢰딩거가 비판의 대상으로 삼았던 파동-입자 이중성에 초점을 맞추어 보자. 이후 안톤 차일링거에 의해 전자보다 1800배나 무거운 중성자로도 파동-입자 이중성이 확인되었다.(간섭무늬가 나타나는지 여부로 파동성을 검출한다.) 또 중성자보다 700배 이상[12] 무거운, 풀러렌 분자를 갖고 실시한 이중슬릿 실험에서도 마찬가지로 간섭무늬가 나타남이 확인되었다. 현재는 인슐린이나 바이러스와 같은 거대 분자의 간섭무늬를 목표로 하는 실험이 진행 중이다. 참고로 사람 인슐린의 분자량은 5,808 Da로 고분자[13] 축에도 못 끼긴 하지만 바이러스 입자는 최소 수백만 돌턴씩 나가므로[14] 실험하기가 쉽진 않을 것이다.

실험 과정에서 코펜하겐 해석이 상정해 둔 '관찰자'가 사라지게 되었는데, 정확히 말하자면 '관찰'의 정의가 바뀐 것이다. 당초에는 관찰자가 바라보아야 관찰이 일어난다고 생각했었으나 실험이 거듭되면서 입자들끼리 상호작용[15]만 일어나도 기존의 관측에 해당하는 현상이 나타나는 것으로 보게 되었다. 고로 관측이라는 용어보다는 상호작용 등의 용어가 보다 더 적합할 것으로 여겨진다. 데이비드 그리피스는 자신의 저서에서 자신은 측정/관측이라는 용어보다는 '사건'(event)이라는 용어를 사용하는게 더 적절할 것이라 생각하나 이제와서는 어쩔 수 없다고 한다.

5. 대중문화에서[편집]

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 것 만으로도 고양이의 상태가 결정된다. 하지만 이 경우엔 고양이가 있을 수 있는 상태가 세 가지인데, 그것은 바로 살아있음, 죽어있음, 그리고 깊은 빡침이다.

- 테리 프래쳇 - 디스크월드 4탄 'Lords and Ladies' 中

파일:veoWbmL.jpg

살아남았다, 엿먹어라 슈뢰딩거(...)

깊이 빡쳤다

과학에 관련된 주제를 다루는 SF소설, 영화, 대중매체들은 물론 일본 라이트노벨 같은 곳에서도 소재로 많이 사용된다.
일단 겉핥기로나마 일반인들에게도 가장 이해하기 쉽고 직관적인(적어도 그렇게 보이는) 비유이면서도, 영상화 하기에도 적절하고, 또한 무엇보다도 '슈뢰딩거'라는 이름이 멋지게 들려서, 고양이가 귀여워서 등등 이유는 다양하다.

다세계 해석을 차용한 것이 끝도 없이 써먹히는 패럴렐 월드다. 다만 엄밀히 말하자면 과거로 시간여행을 했을 때 발생하는 패러독스를 해결하기 위해 도입한 패럴렐 월드 개념은 휴 에버렛이 양자론의 해석을 위해 주장한 것과는 좀 다르다. 보통 우리가 말하는 패럴렐 월드 개념은 휴 에버렛의 양자론 해석으로서의 패럴렐 월드가 아닌 타임 패러독스를 해결하는 방법으로서의 패럴렐 월드다.

앞에서 언급된 것처럼 유명한 사고실험인 만큼 잘못 사용되는 일도 많다. 미시세계에서 관측되지 않았을 때 여러 상태가 중첩되어있다는 내용을 다루는 사고실험이며 슈뢰딩거가 사고실험을 제시하면서 깠던 것도 "고양이가 죽어있는지 살아있는지 어떻게 아냐?" 가 아니라 "죽어있는 고양이와 살아있는 고양이가 중첩되어있다는게 말이 되느냐?" 였다. 하지만 단순히 확률론에서 언급되는 일이 많다.

몇몇 취향 나쁜 사람들은 고양이 이름을 슈뢰딩거라고 짓기도 한다.

위에 서술한 대로 아예 이 사고실험을 주된 테마로 해서 소설 한 편이 나왔으니 바로 쿼런틴이라는 소설이다. 머리 깨지는 고통을 함께 느끼기 딱 좋다. 자세한 것은 문서 참고.

헬싱슈뢰딩거 준위는 여러모로 이 이론에서 모티브를 따온 캐릭터다.

슈타인즈 게이트의 '세계선' 개념이 여기서 따 왔다고 볼 수 있다. 정확히는, 슈뢰딩거의 고양이에 대한 다세계 해석에서 따 왔다고 볼 수 있는데, 복수의 세계선이 존재하나 관측자가 관측하는 것이 실제 현실이며 관측 대상(세계선)이 바뀌면 현실도 그에 따라 바뀐다는 것.

포탈2사실 코어란 녀석의 설명대로면 슈뢰딩거가 고양이를 죽이는 것을 정당화하기 위해 생각해낸 실험이 이 슈뢰딩거의 고양이랜다.

용기사07도 이 이론을 굉장히 좋아하는지 쓰르라미 울 적에괭이갈매기 울 적에에서 자주 인용되며 특히 베른카스텔의 고양이 꼬리는 이 슈뢰딩거의 고양이를 형상화한 것이란 설이 있다.

퓨처라마에서는 붙잡힌 에르빈 슈뢰딩거의 차에서 나온다. 상자에서 산 고양이가 튀어나오는데 그 안에는 마약이 한가득. 덤으로 상자를 열기 전 고양이가 살았냐 죽었냐고 물어보는 프라이에게 '상자를 열어서 파동함수를 붕괴시키기 전까지는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩되어 있다'고 대답한다. 코펜하겐 해석을 깔려고 만든 사고실험임을 생각해보면...

로그라이크 게임 NetHack에도 이것을 패러디한 게 있다. 몹으로 Quantum mechanic[16]이라는 몬스터(대문자 Q)가 가끔 나타나는데 그 녀석을 죽이면 가끔 고양이가 들어있는 상자가 아이템으로 나올 때가 있다. 상자를 열면 Cat named Schroedinger's Cat(슈뢰딩거의 고양이)이 필드에 나오거나 Cat corpse named Schroedinger's Cat(슈뢰딩거의 고양이의 시체)이 상자 안에 나온다. 확률은 당연히 반반. 이 상자는 게임 내에서 나오는 다른 상자들과는 달리 처음 생성됐을 때가 아니라 상자를 열고 안을 봤을 때 내용물이 결정된다.

시간을 달리는 소녀(2006년 극장판 애니메이션)에서도 잠깐 등장한다. 치아키가 자신의 시대에서 시간여행이 가능하다고 말하며 종이상자에 담겨있는 고양이와 망치가 보인다.

웹툰 삼백이론에서는 주인공이로가 시험 문제를 다 찍고 나서 "난 불확정성의 원리에 걸었을 뿐! 내가 보충을 비껴갈 수 있을지는 시험 결과가 나오기 전까진 몰라!" 라며 시전했다. 길을 가던 길고양이를 붙잡아 상자 안에 1/2 확률로 터지는 가스탄과 함께 집어넣고 상자를 밀봉...하자 마자 푸쉭 및 고양이의 처절한 울부짖는 소리가 울려퍼졌다.(...) 그리고 단짝 나유리 曰, "결국 저 고양이는 죽음을 면치 못했을 것 같고 너는 보충 수업을 비껴갈 수 없을 것 같다."

파일:attachment/google.png

구글에서 2013년 8월 12일에르빈 슈뢰딩거의 생일을 맞아 구글 표지를 슈뢰딩거의 고양이로 바꾼 적이 있다. 파동함수가 (살아있는 고양이 + 죽은 고양이)/2\sqrt{2}가 되어서 살아있을 확률과 죽었을 확률이 반반이라는 것을 나타낸다. 확률의 총 합이 1이 되도록 2\sqrt{2}로 나눈 것인데 2가 아니라 2\sqrt{2}로 나눈 이유는 파동함수의 절댓값의 제곱이 확률밀도이기 때문이다. 자세한 것은 코펜하겐 해석의 확률밀도(보른 규칙) 부분 참조.

잃어버린 미래를 찾아서/애니메이션에서도 나왔다. 소우가 세계에 대해 말할 때 "상자를 열었을 때 고양이가 죽든 말든 20년 정도 지나면 그 고양이는 어차피 죽기 때문에 세계는 통합된다"고 카오리를 과거에서 구하려고 애쓰게 된다. 슈타인즈 게이트가 "고양이가 죽으면 A세계, 살면 B세계, A와 B는 천지차이일 수도 있음"이면, 잃어버린 미래를 찾아서는 "고양이가 죽으면 A세계, 살면 B세계지만 20년 정도 지나면 A와 B는 같아진다."라는 것.

Nein에서는 차광안경형 정보단말이 에서 결말을 좌우할 것으로 예상되는 인자를 부정한 후 이야기를 다시 관측하는 행위가 슈뢰딩거의 고양이 실험에 비유된다. 또한 작중에 등장하는 네 마리 고양이(?)인 SCHau, RÖhre, DINg, GERät의 이름의 대문자 부분을 이으면 SCHRÖDINGER(슈뢰딩거)가 된다.

위처 3DLC 추가 퀘스트인 'Where The Cat And Wolf Play'에서는 선택지에 따라 마지막에 Cat school(살쾡이 교단)의 최후가 기록된 편지를 입수할 수 있는데, 'Axel과 Cedric은 죽었고, 슈뢰딩거는 죽었는지 살았는지 알 수 없다(As for Schroedinger, well, I can't say for sure - might be alive, might be dead.)'는 문구가 있다. 게임 내용과는 아무 상관없는 잡템이지만 아는 사람만 웃을 수 있는 지적 조크.

유희왕/OCG에서는 '양자고양이'라는 평범한 함정 몬스터로 등장한다.

블랙서바이벌에서 슈뢰딩거의 상자(공격력+9/방어력+9)도 이 이론에서 모티브를 얻은 것이다.

단간론파 어나더 -또 하나의 절망학원-/챕터 6에서 희망을 되찾은 메카루 레이가 이 언급을 한 적이 있다.

블랙 베히모스에서는 혼돈의 원리 2단계로 등장한다. 상대방의 무질서를 점으로 읽어낸 후(1단계) 그 무질서를 선으로 이어 질서를 다소 만들어내지만 그 선택지들 중 어떤 행동을 할 지 알 수 없는 기술이다.

연석박물지에 '슈뢰딩거의 요괴고양이'라는 곡이 있다.

파일:attachment/USB/Quantum_Mechanics_of_USB.png


'USB의 단자 방향은 위, 아래, 그리고 중첩된 상태라는 3가지 상태가 있다. 눈으로 확인하기 전까지는 중첩된 상태이다.'라는 유머가 있다. USB 표준 A타입의 단자 모양이 위 아래가 잘 구분이 되지 않고 그렇다고 방향에 상관없이 꽂을 수 있는 것도 아니어서[17] 단자 모양을 확인하지 않고 꽂으면 50% 확률로 연결이 되지 않기 때문이다. 게다가 단자가 뻑뻑하거나 해서 방향이 맞는데도 제대로 들어가지 않아서몇번 바꿔본 뒤에야 들어가는 경우도 있기 때문에 이 이론(?)이 설득력을 얻게 된 것.

파일:슈뢰딩거의 가랭이.jpg

서브컬쳐식 패러디도 있다.

버닝 에서도 중요한 매타포로 쓰인다. 이 영화에서 나오는 "보일"이라는 고양이.

5.1. KOF 시리즈의 기술[편집]

KOF 2002UM에서 폭시에게 추가된 초필살기. 상대를 네스츠 깃발로 싸서 달의 은 모션으로 여러 번 베어버린다. 다만 떨어진 깃발을 줍는 모션이 없고 그냥 싸매는 모션으로 돌아간다.

대공판정은 확실하지만 판정이 전방으로 쏠린데다 후딜도 장난 아니게 길고, 더군다나 02UM에서는 대공기 딜레이 중 맞으면 카운터가 뜬다. 그래서 단독으로는 대공용 아니면 잘 쓰지 않고 주로 연속기용으로 사용된다. 백조의 시→달의 은 루트에서 많이 사용된다.

5.2. 팝픈뮤직의 악곡[편집]

5.3. 살인 사건에 관계된 블로그[편집]

5.4. 종언의 서표 프로젝트의 악곡[편집]

6. 관련 문서[편집]

[1] 한가지 오류가 있다면 슈뢰딩거의 고양이는 모든 HP가 ???로 되어있어야 한다. 절반만 ???로 되어있다는 건 청산가리 유리병이 깨졌어도 여전히 절반의 HP가 남아있다는 소리니까. 반은 살고 반은 죽었다는 표현을 반은 차있고 반은 비어있는 체력 바로 나타낸 것일 수도 있다. 파블로프의 개 쪽은 이미 HP가 조금 닳아있는데 이는 실험을 위해 턱에 구멍을 뚫어놓았기 때문이다.[출처] : Hans Christian von Baeyer, Information: The New Language of Science, 2005, p175.[3] 질릴정도로 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 꺼내는 사람을 더이상 못 참고 쏴 버린다(...)는 얘기가 아니라, 하도 지겨워서 자살할 지경이라는 뜻이다.[4] 실험자가 상자 안을 인식하지 못해야 하는게 요점인 실험이라서 애초에 투명해서 시각적으로 인식이 가능해지면 실험 자체가 성립하지 않기 때문. 그 외에도 외부의 기기와 이어진 카메라를 넣은 뒤 상자를 완전밀폐하는 방법 같은 외부에서 내부의 상황을 확실히 인식할 수 있는 경우의 수는 모조리 제외해야 한다. 쉽게 말하면 방음 방향 방취 불투명 등등 모든 밀폐요소가 다 갖춰지고 실험자 입장에서 직접 열기 전까지 상자 안을 파악할 수 있는 모든 수단을 금지한 상태가 필수조건. 안에서 '야옹' 소리가 나거나 고양이 똥 냄새가 나면 안 되니까[5] 사실 손전등 불빛은 여러 파장의 빛이 섞여 나오는 특성 때문에 실험 결과가 뚜렷하게 나오지 못하므로 이 실험을 하기에 적절치 못하다. 실제 실험에선 파장대가 좁은 단색 레이저를 사용한다. 그러나 이 문서에선 서술과 이해의 편의를 위해 그냥 손전등이란 단어를 사용한다.[6] 엄밀히는 회절 현상으로 간섭무늬가 생기겠지만 거기까지는 서술하지 않는다. 이상적인 경우라면 점파원이 되어 간섭무늬가 생기지 않을 수도 있다.[7] 파동이 좁은 장애물을 통과하면서 여러방향으로 휘어 나가는 현상. 한국 물리학계에서는 '에돌이'라는 순우리말을 만들어 쓰기도 한다.[8] 60개 이상의 탄소 원자들이 구, 타원체, 원기둥 형태로 배치된 분자 구조를 뜻한다. 축구공 생각하면 된다. 구글 이미지 검색[9] 파동함수가 수축한다, 파동의 붕괴 또는 수축으로 표현해도 '관측시 하나의 값으로 확정된다'는 의미는 같다.[10] 다만 사실상 검증이 불가능하기 때문에 과학적 가설이라기 보단 비과학적 신념에 가깝다는 비난을 피하기 힘들어 보이는 것 또한 사실이다.[11] 쿼런틴에서 이야기하는 확산 상태는 다세계 이론과는 다르다. 수축하게 되면 결과는 하나로 고착되고 다른 세계들은 파괴된다고 묘사되어 있으므로, 오히려 주류 이론과 비슷하다.[12] 좀 더 정확히는 약 714.47배. 풀러렌의 분자량은 약 720.66 Da이며, 중성자의 정지 질량은 약 1.008665 u이다.(Da과 u는 표기만 다른, 동일한 단위임)[13] 분자량이 10 kDa 이상이여야 함.[14] 때문에 바이러스의 질량은 MDa로 센다. kDa로 세는 고분자들과는 단위부터 다르다.[15] 단순히 서로 부딪치는 것으로 충분하다.[16] '양자 기계공' 이란 뜻. 실제로 이런 직업이 있는 건 아니고 mechanic 끝에 s를 붙이면 양자역학이란 뜻이 된다는 걸 가지고 말장난을 한 것[17] 양면을 꽂을 수 있는 USB 규격은 가장 늦게 나온 C 타입이 유일하다.