슈뢰딩거의 고양이, 진짜 살아있을까?

상자 속 고양이와 양자 중첩의 비밀
현대 물리학에서 가장 기이하면서도 깊은 통찰을 담고 있는 실험 중 하나는 ‘슈뢰딩거의 고양이’입니다. 이 실험은 실제로 실행된 것이 아니라, 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schödinger)가 1935년에 제안한 사고실험(Thought Experiment)입니다. 이 이야기는 단순한 철학적 논쟁이 아닌, 양자역학의 핵심 개념인 양자중첩(superposition)을 설명하기 위한 도구로 제안되었습니다.

고양이는 살아있고 동시에 죽어 있다?
슈뢰딩거가 제안한 실험은 다음과 같습니다:
불투명한 상자 안에 고양이 한 마리를 넣습니다.
상자 안에는 방사성 물질, 방사능을 감지하는 계측기, 그리고 감지기가 작동하면 작동하는 독가스 장치가 함께 들어 있습니다.
방사성 물질은 1시간 이내에 붕괴할 확률이 50%입니다. 만약 붕괴되면 감지기가 이를 인식하고 독가스를 방출하여 고양이가 죽습니다. 반대로 붕괴되지 않으면 고양이는 살아 있습니다.
여기서 핵심은, 고양이의 생사 여부가 오직 방사성 원자의 붕괴 여부에 달려 있다는 것입니다. 그리고 양자역학에 따르면, 이 원자는 측정되기 전까지는 붕괴된 상태와 붕괴되지 않은 상태가 동시에 존재할 수 있습니다. 이 상태가 바로 양자중첩입니다.

그렇다면 상자 속 고양이 역시 이 원자와 얽혀서, 살아 있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩된 채 존재하게 됩니다. 단, 누군가가 상자를 열어 관측하기 전까지는 말이죠.

양자중첩이란 무엇인가?
양자중첩이란, 하나의 입자가 둘 이상의 상태를 동시에 가질 수 있는 현상입니다. 예를 들어, 전자가 어떤 위치에 있을 확률이 50%이고 다른 위치에 있을 확률이 50%라면, 전자는 측정되기 전까지 두 위치에 모두 존재합니다.
이 개념은 일상적인 세계에서는 매우 낯설게 느껴집니다. 우리는 물체가 하나의 위치에만 있어야 한다고 생각하지만, 양자세계에서는 입자가 동시에 여러 상태에 존재할 수 있습니다.
양자중첩은 다음과 같은 실험으로 뒷받침됩니다:
이중슬릿 실험(Double-slit experiment): 전자 한 개를 두 개의 슬릿이 있는 판에 쏘면, 전자가 두 슬릿을 동시에 통과하여 간섭무늬를 형성합니다. 이는 전자가 여러 경로를 동시에 지나는 것을 의미합니다.
양자컴퓨터의 큐비트(Qubit): 고전적인 컴퓨터의 비트는 0 아니면 1이지만, 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 갖습니다. 이 역시 양자중첩에 기반한 기술입니다.

 

관측이란 무엇인가? – 파동함수의 붕괴
슈뢰딩거의 고양이 실험이 우리를 곤혹스럽게 만드는 이유는, 관측이 현실을 결정한다는 점입니다. 고양이는 상자를 열어보는 순간에야 비로소 "살아있음" 또는 "죽음"이라는 하나의 상태로 결정됩니다. 이전까지는 살아있음과 죽음이 중첩된 상태로 존재하는 것이죠.

양자역학에서는 이 상태를 파동함수(wave function)로 표현하며, 관측을 통해 이 함수는 특정한 값으로 "붕괴(collapse)"합니다. 이 과정은 고전 물리학과 전혀 다른 사고방식을 요구하며, 우리가 인식하는 현실은 관측 행위와 떼려야 뗄 수 없는 관계임을 시사합니다.

얽힘(Entanglement)과 상관관계
고양이와 방사성 원자의 상태는 단순히 동시 중첩일 뿐만 아니라, 얽혀 있는(entangled) 상태입니다. 이는 한 입자의 상태가 결정되면, 그와 얽힌 다른 입자의 상태도 동시에 결정된다는 양자현상입니다.

이 개념은 현대 물리학의 여러 분야에서 핵심적인 역할을 하며, 특히 양자정보과학(Quantum Information)과 양자암호(Quantum Cryptography), 양자컴퓨팅의 이론적 기반을 제공합니다. 얽힘은 비국소적(non-local)인 특성을 가지기 때문에, 아인슈타인은 이를 ‘유령 같은 원격 작용(spooky action at a distance)’이라고 불렀습니다.

현실 속 슈뢰딩거의 고양이? 가능할까?
실제로 고양이처럼 큰 생명체가 양자중첩 상태로 존재하는가에 대해서는 의견이 분분합니다. 현재로서는 원자나 전자처럼 극도로 작은 입자에서만 중첩 현상이 뚜렷하게 나타나며, 고양이처럼 거시적인 물체에서는 중첩이 유지되기 어렵다고 여겨집니다. 이를 탈코헤런스(decoherence) 현상이라고 부르며, 외부 환경과의 상호작용을 통해 양자중첩 상태가 빠르게 사라지는 것입니다.
하지만 과학자들은 점점 더 큰 규모의 물체에서도 중첩 상태를 유지하는 실험에 도전하고 있으며, 일부 나노 구조나 초전도체에서는 중첩 현상을 확인하기도 했습니다.

결론적으로 우리가 보는 현실은 진짜일까?
‘슈뢰딩거의 고양이’ 실험은 단지 고양이의 생사를 넘어서, 우리 현실이 본질적으로 얼마나 모호하고 확률적인지를 보여주는 은유입니다. 고전 물리학에서는 모든 것이 예측 가능하고 결정론적이지만, 양자역학에서는 관측이 현실을 만든다는 개념이 자리 잡고 있습니다.
이 실험은 수십 년이 지난 지금도 철학자, 물리학자, 인공지능 연구자, 뇌과학자들에게 끝없는 질문을 던지고 있습니다.
현실은 관측 전까지 어떻게 존재하는가?
우리의 의식은 관측자 역할을 하는가?
거시세계에도 중첩과 얽힘이 적용되는가?
이처럼 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 단지 물리학의 재미있는 사고실험이 아닌, 현실과 존재, 인식의 본질에 대한 깊은 질문을 던지는 과학적 철학입니다.