알고보면 재밌는 물리 - 슈뢰딩거의 고양이

수학, 난 고등학교를 다닐때 수학을 제일 괜찮게 생각했다. 국어와는 달리 답이 정해져있는 학문이기 때문이다.  국어는 자신의 생각을 적으면서 제각각 답이 다르지만 수학은 하나다.      문제를 푸는 방법이 다양하면서도 답이 정해져 있는 학문이 얼마나 매력적인가. 그러나 우리나라 교육의 현실을 보면 수학이 논리적으로 생각하고 답을 도출해내는 과정이 중요한것이 아니라 오직 답만 중요시 여기는 계산의 도구 과목이다.  교과서에 나오는 논리수학이라는 문제도 결국 지문만 긴 계산문제나 다름이 없다. 그래서 수학을 포기하는 사람들이 많은데 수학은 파고들면 들수록 다양하고 전 범위에 퍼져있다.

▲수학은 대부분의 학문을 포괄한다

 

수학이 없으면 컴퓨터나 스마트폰도 사용할수 없으며 돈의 가치도 사라진다. 이 글을 생활 카테고리에 넣은것도 수학이 우리의 생활 깊숙히 침투해 있기 때문이다.건축물을 봐도 토목공학, 기본적으로 피타고라스의 정리인 에서 출발한다.  그 빠른 컴퓨터도 겨우 0과1에서 모든 연산을 시작하니 말이다.

 

수학이 발전함에 따라 과학이 발전하고 사회가 발전하고 문화가 발전해왔다. 그중 수학과 과학은 뗄래야 땔수없는 부부같은 사이다.과학 부분에 관해서는 근대로 올수록 발전해가고 재밌는 일화들이 많이 나오는데 그 중 양자역학^[각주:1]을 모르는 사람들도 들어는 봤다는 슈뢰딩거의 고양이 를 한번 얘기해보려고한다.

 

▲슈뢰딩거의 사고실험^[각주:2]인 '상자안의 고양이'                                     (이하 출처 : 엔하위키)

 

노벨물리학자 수상자인 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)가 양자역학을 비꼬기 위해 한 사고실험이다. 하지만 후에 양자역학의 이중성을 너무나도 잘 비유해서 오히려 양자역학을 설명하는 비유로 사용된다.   

사고실험의 내용은  완전히 밀폐된 상자 안에 고양이와 청산가리가 담긴 병이 들어있다. 청산가리가 담긴 병 위에는 망치가 있고 망치는 가이거 계수기^[각주:3]와 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?         

 간단히 정리하자면   1시간뒤에 고양이는 50%의 확률로 죽는다. 상자안의 상황을 볼수 없을때 1시간뒤에 고양이는 어떻게 되있을까? 

                              

일반적인 답은 죽었거나 살았거나 둘중 하나다.   하지만 이 실험은 그런 결론엔 도달하지 않는다.    관측하기전에는 고양이가 살아있음과 죽음이 중첩된 모순된 상태에 놓이게 된다.  쉽게 말해서 다먹고 난뒤에 일정 확률로 '하나 더'라는 당첨이 있는 아이스크림이 있다 치자  그걸 다 먹기 전까진 당첨과 꽝 이 두가지가 중첩되있다는 것이다. 모순된 상태로 존재하며 관측한 순간 정해진다는것이 가장 널리 알려져있는 '코펜하겐 해석^[각주:4]'이다.'코펜하겐 해석'을 반대하는 사람들은 '달을 관측하는 사람들이 아무도 없으면 달이 없는 것인가?"라고도 반문한다.

 

또 다른 해석은 '패럴렐 월드'즉 평행우주 론이다. 상자를 열기 전까지는 고양이가 죽은세계, 살아있는 세계가 모두 존재하며 관측하는 순간 살아있는 고양이의 세계와 죽어있는 고양이의 세계 두개의 우주로 분리된다는 설이다. 이 이론은 우리도 익히 잘 알고 있으며 여러 소설,영화에서 소재로 쓰였다.

 

물론 이 외에도 통계학적 해석등 여러 이론이 있지만 대표적으로는 위의 2개가 가장 유명한 설이다.

 

일반적으로 생각해보면 '코펜하겐 해석'은 우리의 상식범위를 벗어난 것이다. 그러나 오늘 날 많은 과학자들이 대체 실험을 통해 검증을 했기 때문에 이 논쟁은 더이상 벌어지지 않는다.  대체 실험에 대해 설명하려면 주제가 벗어나기 때문에 생략하기로 하겠다... 슈뢰딩거의 고양이는 언뜻보면 복잡해 보이지만 알고보면 재밌으며 논리적으로 생각할 여지를 준다.  복잡하고 어렵다고 생각하지 말고 수학,과학에 관련된 여러 일화를 살펴보며 상식도 키우고 논리력도 기르는 일석이조를 취하길 바란다.

                                 

참조글:물리산책-양자세계의 해석http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=20&contents_id=1827

1. 양자역학은 현대사회에서 빠질수 없는 물리학 이론이며 컴퓨터,스마트폰의 핵심 부품인 반도체의 원리를 설명하는 이론이기도하다. [본문으로]
2. 실제로 하는것이 아니라 머리속에서 가정한후 생각으로 진행하는 실험. [본문으로]
3. 방사능의 세기를 측정하는 장치. [본문으로]
4. 사람이름이 아니라 도시이름이다. 그당시 물리학자들이 덴마크의 코펜하겐이라는 도시에서 모여 논의를 해서 도시이름이 붙여졌다. [본문으로]