슈뢰딩거의 고양이

http://www.todayhumor.co.kr/board/view.php?table=science&no=68625&s_no=68625&page=1

위 글에 대한 답변 겸 양자역학에 대한 간략한 설명입니다.

위 글에서 초등학교 아들에게 설명을 하고 싶다고 하셨으니 가능한한 최대한 간략하고 비유적으로 설명할 수 있도록 해보겠습니다.

양자역학은 아주 작은 물질에 대한 거동을 설명하기 위하여 도입 된 것입니다.

여기서 아주 작은 물질이라 함은 원자 한 개 수준 정도로 생각하시면 될 것 같습니다.

여기서 우리가 '본다' 라는 것의 의미를 정확하게 생각해봅시다.

우리가 주변에 있는 물체를 '본다'는 것은 결국 빛이 어디선가 출발하고 물체에 반사되어 우리 눈까지 도달되어서 볼 수 있게 되는 겁니다.

※ 아드님이 이해하기 어렵다고 생각되시면 셀로판지를 통해서 빨간색 셀로판지는 빨간색이 검은색으로 보인다거나 하는 식으로 설명하면 괜찮을 것 같습니다. 혹은 검은색과 흰색 물체를 햇볕에 놔두면 무엇이 더 빨리 뜨거워지는지에대해서도 설명하면 빛의 흡수 및 반사를 이해하는데 도움이 될 것 같네요.)

일반적으로 우리가 볼 수 있는 물체들은 빛이 반사되거나 흡수되어도 이 물체가 갑자기 움직이거나 하지 않습니다.

물체의 질량이 너무 크기 때문이죠.

그런데 아주 작은 물질 같은 경우 이렇게 '본다' 라는 행위를 하는 것 자체가 그 작은 물질의 거동에 영향을 주게 됩니다.

해서 양자역학이 탄생하게 됩니다.

양자역학은 기본적으로 여러가지 특성이 있지만 모든 것들은 연속되지 않는다. 라는 점에서 시작됩니다.

속도, 공간, 에너지 등등도 계단처럼 층층이 나뉘어 있다고 생각하면 되지요.

양자역학의 '양자'를 한자로 쓰면 '量子'가 되는데 여기서 '양' 이 헤아릴 양 자를 씁니다. 즉, 하나, 둘, 셋 처럼 헤아릴 수 있다는 뜻이죠.

영어로도 Quantum mechanics에서 quantum이 단수형, quanta가 복수형인데 역시 하나의 뭉텅이를 뜻합니다.

물리학자들은 여러가지 수식을 통해서 층층이 나뉘어 있는 양자들을 통해

전자나 수소원자 (전자와 양성자 하나로 이루어져 있습니다.)의 행동들을 계산하고 그 계산 결과값이 측정값과 맞는지 확인하는데

기가 막히게 맞아떨어집니다.

즉, 양자를 도입한 결정은 옳은 결정이었다는 뜻이지요.

여기서 이 계산에 쓰인 계산식이 '슈뢰딩거 방정식' 입니다. 에르빈 슈뢰딩거가 만든 방정식을 통해 계산을 했기 때문이죠.

그런데 재미난 것은 슈뢰딩거 방정식에서는 결과값이 재미있게도 하나로 나오지 않습니다.

즉, 우리가 보는 야구공의 속도, 자동차의 속도처럼 딱 하나의 값으로 나오지 않습니다.

계산한 결과값은 전자의 위치나 전자의 속도가 어떠한 분포로 나타나게 되는데

물리학자들은 이러한 분포를 통해서 '전자의 위치가 이러한 값에 있을 확률이 몇 % 다' 라는 말을 하게 됩니다.

이러한 양자역학의 해석을 '코펜하겐 해석' 이라고 합니다.

직관적이지 않죠? 위치나 속도가 확률로 나타난다니.

야구공이 10% 확률로 나한테 있고 90% 확률로 너한테 있다. 라는 말을 단박에 이해하는 사람이 어디있겠습니까.ㅎㅎ

혹은 자동차가 10% 확률로 왼쪽 칸에 있고 90% 확률로 오른쪽 칸에 주차되어 있는데 우리가 보는 순간 왼쪽에 있을지 오른쪽에 있을지 결정되는 것이다. 도 비슷한 비유가 되겠네요ㅎㅎ

그래서 파인만이라는 유명한 사람은 '양자역학을 이해했다고 말하는 사람은 이해하지 못한 것이다' 라는 말까지 남겼죠.

양자역학이 처음 등장할 당시, 당대 물리학자들도 지금 우리와 비슷하게도 많은 반발이 있었습니다.

그래서 '슈뢰딩거의 고양이' 가 나온 겁니다.

슈뢰딩거는 우리처럼 이해를 못하는 쪽에 있었는데요, 그래서 사고 실험을 하나 진행합니다.

고양이가 하나의 박스 안에 갇혀 있습니다.

그 박스 안에는 하나의 원자가 있는데요, 이 원자는 불안정해서 분해될 수도 있고 분해되지 않을 수도 있습니다. 확률은 반반!

그런데 만약에 이 원자가 분해된다면 그 원자 바로 옆에 있는 장치에서 독이 뿜어져 나오게 됩니다.

그래서 고양이는 만약에 원자가 분해된다면 죽게되고 원자가 분해되지 않는다면 죽지 않는 것입니다.

위의 '코펜하겐 해석' 에 따르면 고양이는 죽은 상태가 50%, 산 상태가 50%입니다. 열기전까지는요.

왜냐하면 원자가 분해될 확률이 반반 이니까요.

열게 된다면 그 순간 50%가 아닌 100% 확률로 죽은 상태 혹은 산 상태로 발견되겠죠.

맨 앞에 설명했던 '본다' 라는 것 자체가 양자역학적으로는 무언가 현상을 일으키기 떄문이죠.

이런 말도 안되는 게 어디있냐면서 슈뢰딩거가 고안한 사고실험이지만

정작 가장 '코펜하겐 해석'을 직관적으로 보여주는 실험이 되버렸습니다.