슈뢰딩거의고양이 - Schrödinger's cat [1]

슈뢰딩거의고양이 - Schrödinger's cat

슈뢰딩거의 고양이는 사고 실험으로, 때로는 역설로 묘사되기도 하는데, 오스트리아 물리학자 에르윈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 아이디어는 알버트 아인슈타인에서 비롯되었다. 그가 코펜하겐의 양자역학 해석의 문제점으로 본 것이 일상적인 물체에 적용된 것을 잘 보여준다. 시나리오는 일어날 수도 있고 일어나지 않을 수도 있는 무작위 아원자 사건과 연관되어 있기 때문에 양자 중첩으로 알려진 상태인 살아있거나 죽었을 수도 있는 가상의 고양이를 제시한다. 사고 실험은 양자역학의 해석에 대한 이론적 논의에서도 자주 등장하는데, 특히 측정 문제와 관련된 상황에서는 더욱 그러하다. 

실험 동기

슈뢰딩거는 1935년 자신의 사고실험을 작가 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 이름을 딴 EPR 기사에 대한 토론으로 의도했다. EPR 기사는 원자나 광자와 같은 양자 시스템이 서로 다른 가능한 결과에 대응하는 여러 상태의 조합으로 존재할 수 있는 양자 초상의 반직관성을 강조했다. 코펜하겐 해석이라고 불리는 지배적인 이론은 양자 시스템이 외부 세계와 상호 작용하거나 관찰될 때까지 중첩 위치에 머물러 있다고 말한다. 이렇게 되면 중위는 가능한 확실한 상태 중 하나 또는 다른 하나로 붕괴된다. EPR 실험은 먼 거리에 의해 여러 개의 입자가 분리된 시스템이 그러한 중첩 위치에 있을 수 있다는 것을 보여준다. 슈뢰딩거와 아인슈타인은 아인슈타인의 EPR 기사에 관한 서신을 교환했는데, 아인슈타인은 그 과정에서 화약 덩어리의 불안정한 상태가 잠시 후 폭발한 상태와 불발된 상태의 중첩을 모두 포함하고 있다고 지적했다.

슈뢰딩거는 더 자세히 설명하기 위해 어떻게 하면 원칙적으로 중첩 위치에 있는 양자 입자에 의존하게 하여 대규모 시스템에서 중첩을 만들 수 있는지를 설명했다. 그는 잠긴 철실에 고양이와 함께 시나리오 하나를 제안했는데, 고양이의 생사는 썩어 방사능을 방출했든 아니든 방사성 원자의 상태에 따라 좌우된다. 슈뢰딩거에 따르면, 코펜하겐의 해석은 고양이가 국가가 관찰될 때까지 살아있거나 죽은 상태로 남아 있다는 것을 암시한다. 슈뢰딩거는 죽은 고양이의 사상을 심각한 가능성으로 홍보하고 싶지 않았다. 반대로 그는 양자역학에 대한 기존의 관점의 부조리를 설명하기 위한 본보기를 의도했다. 그러나 슈뢰딩거 시대 이후 양자역학의 수학에 대한 다른 해석은 물리학자들에 의해 진전되어 왔으며, 그 중 일부는 '살아있는 것과 죽은 것' 고양이 중첩을 상당히 실제적인 것으로 간주하고 있다. 코펜하겐 해석에 대한 비평으로 의도된 슈뢰딩거의 고양이 사상 실험은 양자역학의 현대 해석에 대한 결정적인 시금석으로 남아 있다. 물리학자들은 종종 각 해석이 슈뢰딩거의 고양이를 다루는 방식을 각 해석의 특정한 특징, 강점, 약점을 설명하고 비교하는 방법으로 사용한다.

사고 실험

고양이는 강철상자에서 다음과 같은 장치(고양이의 직접적인 간섭으로부터 보호되어야 한다)와 함께 펜으로 고정된다. 가이거 계수기에는 아주 작은 방사성 물질이 있는데, 너무 작아서 아마도 한 시간 안에 원자 중 하나가 소멸할 수 있을 것이다. 그러나 또한, 동일한 확률로, 어쩌면 아무것도 일어나지 않을 수도 있다. 튜브가 배출되고 릴레이를 통해 작은 플라스크의 수경화산을 산산조각 내는 망치를 방출한다. 만약 한 시간 동안 이 모든 시스템을 스스로에게 맡겼다면, 사람들은 만약 원자가 썩지 않았다면, 고양이는 여전히 산다고 말할 것이다. 최초의 원자 붕괴는 독을 먹였을 것이다. 원래 원자영역에 국한되었던 불변성이 거시적인 불변성으로 변형되어 그 후 직접 관찰에 의해 해결될 수 있는 것이 이러한 경우의 전형이다. 그것은 우리가 현실을 대변하는 "블러드 모델"이 타당하다고 그렇게 순진하게 받아들이는 것을 막는다. 그 자체로 분명치 않거나 모순되는 것을 구체화하지는 않을 것이다.

슈뢰딩거의 유명한 이 실험은 "양자체계가 언제 국가의 중첩으로서 현존하는 것을 멈추고 하나 또는 다른 것이 되는가"라는 의문을 제기한다(더 기술적으로, 실제 양자 상태는 언제 각각 다른 고전적 상태를 닮은 상태의 비종교적 선형 결합이 되는 것을 멈추고, 그 대신 다음과 같은 문제를 제기한다. 독특한 고전적 묘사?) 고양이가 살아남으면 살아 있는 것만 기억한다. 그러나 표준 현미경 양자역학과 일치하는 EPR 실험에 대한 설명은 고양이나 노트북과 같은 거시적인 물체들이 항상 독특한 고전적 설명을 가지고 있는 것은 아니다. 그 사고 실험은 이러한 명백한 역설을 예시하고 있다. 우리의 직관은 어떤 관찰자도 상태가 혼합되어 있을 수 없다고 말한다. 고양이는 관찰자가 되어야 하는 것인가, 아니면 잘 정의된 하나의 고전적 상태에서의 존재는 또 다른 외부 관찰자를 필요로 하는 것인가? 이러한 문제들을 부각시키는 사고 실험의 능력에 감명을 받은 아인슈타인에게는 각각의 대안이 불합리하게 보였다. 가이거 계수기를 화약 대신 증폭기로 사용하고 수경화약으로 사용하는 슈뢰딩거의 설정에서는 화약 전하가 언급되지 않는다는 점에 유의한다. 이 화약은 아인슈타인이 15년 전 슈뢰딩거에게 제안한 원안에서 언급되어 왔으며 아인슈타인은 그것을 현재의 논의로 옮겼다.