[양자 정보 과학] 슈뢰딩거의 고양이

스티븐 호킹 박사는 말했습니다.

"When I hear of Schrodinger's cat, I reach for my gun."

만약 누가 나에게 슈뢰딩거의 고양이를 말한다면, 나는 총을 들 것이다.

왜 이러한 말을 했을까요?

다음은 코펜하겐 해석 2번입니다. 

전자는 관측됐을 때 의미를 가진다.

물리량은 인간이 관측 했을 때 의미를 갖고 인간이 관측하기 전에는 물리량으 존재조차 의문을 가진다. 

이처럼 코펜하겐 해석을 우주를 둘로 나눕니다. 관측을 하는 주체인 거시세계와 관측을 당하는 객체인 미시세계로 말입니다.

슈뢰딩거의 반박은 이것입니다.

도대체 "관측 주체가 누구야?"

인간이냐, 구름이냐, 아메바냐? 우리 인간도 결국 원자로 이루어져 있다. 원자가 100,000개 모이면 미시세계이고, 원자가 100,001개 부터는 거시세계인가? 라고 말이죠

양자역학의 출발은 " 이 세상에 있는 모든 물질은 다 원자로 이루어져 있고, 우리 인간 또한 원자로 이루어져 있다" 입니다. 

 그렇다면, 코펜하겐 2번 '관측행위'에서 인간이 전자를 관측하는 주체이고, 전자는 인간에게 관측 당하는 객체입니다. 

이 얘기는 인간도 원자나 전자와 같은 입자고 전자도 입자입니다. 즉, 전자가 전자를 관측하고 있다는 이야기가 됩니다.

슈뢰딩거는 스티븐 호킹에게 실험을 제안합니다. 그것이 바로 슈뢰딩거의 고양이 실험입니다. 

슈뢰딩거의 고양이(Schrödingers Katze)는 1935년에 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전함을 보이기 위해서 고안한 사고 실험입니다.

자신이 만든 파동방정식의 해(파동함수)가 확률을 뜻한다고 막스 보른(Max Born)이 주장하자 물리학에 불확정성이 도입된 것에 대해 반발해 고안된 사고실험입니다. 즉, 코펜하겐 실험의 비상식적인 면을 드러내어 비판하고자 하는 목적의 실험이라 할 수 있습니다.

본의는 아니었겠지만, 양자역학의 특징을 설명하는 대표적인 예시로 흔히 사용됩니다. 양자역학에 의하면, 미시적인 세계에서 일어나는 사건은 그 사건이 관측되기 전까지는 확률적으로밖에 계산할 수가 없으며 가능한 서로 다른 상태가 공존하고 있다고 말합니다. 슈뢰딩거가 제안한 이 사고 실험은 우연적으로 일어나는 미시적인 사건이 거시적 세계에 영향을 미칠 때 어떻게 되는가를 보여주는 것으로, 하나의 패러독스로서 거론됩니다.

사고실험의 내용은 다음과 같다. 이 사고실험에는 알파입자와 고양이 한 마리가 등장합니다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 속에 들어있고, 이 상자는 청산가리가 들어있는 유리병과 연결되어 있습니다. 청산가리는 유리병에 가로막혀 상자 속으로 들어갈 수 없으며, 청산가리가 든 병 역시 외부 세계와 완전히 차단되어 유리병이 깨지는지 볼 수 없습니다. 이 밸브는 방사능을 검출하는 가이거 계수기와 연결되어 있는데, 그 기계 장치는 라듐 등이 붕괴하며 방출한 알파입자를 검출하여 유리병을 깹니다. 유리병이 깨진다면 고양이는 청산가리를 흡입해 죽게 된다. 그리고 처음에 라듐은 단위 시간 당 50%의 확률로 붕괴하도록 세팅되어 있습니다. 그렇다면 그 단위 시간이 흐른 후에 고양이는 50%의 확률로 살아 있거나 죽어 있을 것이다. 여기서 실험자는 외부에 있기 때문에 관찰이나 간섭을 절대 할 수 없는 상태에서 대답을 해야 합니다.

간단히 요약하자면 "1시간 후에 절반의 확률로 상자 안의 고양이가 죽는다. 당신은 그 상황을 전혀 볼 수 없다. 1시간 후 상자 속의 고양이는 어떻게 되어있을까?" 라는 것입니다. 물론 어디까지나 역설을 제시하는 목적의 사고실험이며, 진짜로 실험을 할 수는 없습니다.