양자역학의 신비 – 고양이는 살아있을까, 죽어있을까?

요즘 AI의 비약적인 발전으로 정보처리 및 검색 뿐 아니라 통번역, 로봇 등 여러 산업 생태계도 영향을 받고 있다. 또한 AI 발전 다음으로 각광받고 있는 것이 양자컴퓨터이다. 도대체 양자가 뭘까? 어려운 개념을 쉽게 알아보도록 하자.

 

목차

• 고전 물리학을 넘어선 새로운 세계
• 슈뢰딩거의 고양이 – 살아있는 동시에 죽어있는 존재
• 관측 문제와 양자역학 해석의 갈림길
• 현대 과학과 실험적 접근
• 양자역학이 던지는 철학적 질문

 

고전 물리학을 넘어선 새로운 세계

뉴턴 역학은 오랫동안 우리의 세계를 지배해왔다. 사과가 떨어지는 이유도, 행성이 공전하는 원리도 명확한 수식으로 설명할 수 있었다. 그러나 20세기 초, 원자의 세계를 탐구하던 과학자들은 기존의 물리학으로 설명할 수 없는 기이한 현상들을 발견했다. 이 새로운 세계를 다루는 물리학이 바로 ‘양자역학’이다. 양자역학에서는 입자가 한곳에 존재하는 것이 아니라, 여러 상태가 동시에 공존하는 중첩(superposition) 상태를 가질 수 있다. 이는 우리의 직관과 완전히 다른 개념으로, 현실의 존재 방식에 대한 근본적인 질문을 던진다.

 

사과가 떨어지는 이유는? 뉴턴 역학

 

 

슈뢰딩거의 고양이 – 살아있는 동시에 죽어있는 존재

양자역학의 기묘함을 가장 극적으로 설명하는 사고실험이 바로 ‘슈뢰딩거의 고양이’이다. 1935년, 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 코펜하겐 해석의 모순을 지적하기 위해 이 실험을 고안했다. 실험은 다음과 같다. 밀폐된 상자 안에 한 마리의 고양이가 있다. 상자 안에는 또한 방사성 원자, 방사성 붕괴를 감지하는 계측기, 그리고 독가스를 방출하는 장치가 포함되어 있다. 만약 방사성 원자가 붕괴하면 계측기가 이를 감지하고 독가스를 방출하여 고양이는 죽게 된다. 하지만 원자가 붕괴할 확률은 50%이므로, 붕괴하지 않으면 고양이는 살아있다. 양자역학의 중첩 원리에 따르면, 우리가 상자를 열어 관측하기 전까지 고양이는 ‘살아있는 상태’와 ‘죽어있는 상태’가 중첩된 상태에 놓이게 된다.

 

상자 속 고양이는 살아있을까?

 

 

관측 문제와 양자역학 해석의 갈림길

그렇다면 우리는 언제 이 중첩 상태를 현실에서 확인할 수 있을까? 양자역학에서 상태가 확정되는 순간을 ‘파동 함수의 붕괴(wave function collapse)’라고 한다. 코펜하겐 해석에 따르면, 입자는 관측될 때 비로소 하나의 상태로 결정된다. 즉, 상자를 여는 순간 고양이는 살아있거나 죽은 상태로 확정된다. 하지만 다른 해석들도 존재한다. 다세계 해석(Many-Worlds Interpretation)에 따르면, 고양이가 죽는 세계와 살아있는 세계가 동시에 존재하며, 우리가 상자를 여는 순간 이들 중 하나의 세계를 경험하게 된다. 또 다른 이론인 객관적 붕괴 이론(objective collapse theory)은 특정 임계 질량 이상에서는 파동 함수가 자동으로 붕괴한다고 본다. 이처럼 양자역학은 단순한 수식의 문제가 아니라, 우리가 현실을 어떻게 이해하는가에 대한 근본적인 철학적 논쟁을 불러일으킨다.

 

 

현대 과학과 실험적 접근

슈뢰딩거의 고양이는 단순한 사고실험이지만, 실제로 양자 중첩을 실험적으로 검증하려는 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 2010년대 이후, 연구자들은 점점 더 거대한 물질에서도 양자적 중첩이 가능함을 입증하고 있다. 예를 들어, 초전도 회로를 이용한 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)의 중첩 상태를 활용하여 연산을 수행한다. 또한 2020년에는 오스트리아 연구팀이 나노 크기의 다이아몬드 입자를 중첩 상태로 만드는 데 성공했다. 이러한 연구들은 우리가 일상적으로 경험하는 거시 세계에서도 양자역학의 효과가 존재할 수 있음을 시사하며, 나아가 양자 중첩을 활용한 혁신적인 기술 개발로 이어질 가능성을 보여준다.

 

특히 최근에는 생물학적 시스템에서도 양자적 중첩이 존재할 가능성이 제기되고 있다. 광합성 과정에서 식물이 광자를 흡수하는 방식이 양자적 결맞음(coherence)에 의해 최적화된다는 연구 결과가 있다. 또한 일부 조류가 지구 자기장을 감지하는 메커니즘이 양자 얽힘(quantum entanglement)에 의해 설명될 수 있다는 가설도 제시되었다. 이러한 발견들은 양자역학이 단순히 미시 세계에서만 적용되는 것이 아니라, 거시적인 생명 현상에서도 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 앞으로의 연구들은 이러한 양자적 효과가 인간의 뇌 기능이나 의식과도 관련이 있을 가능성을 탐구하는 방향으로 나아갈 것으로 보인다. 이는 양자역학이 기술뿐만 아니라, 생명과학과 인지과학에도 혁신적인 패러다임을 제공할 수 있음을 의미한다.

 

 

양자역학이 던지는 철학적 질문

양자역학은 단순한 물리 법칙을 넘어, 존재의 본질에 대한 심오한 철학적 질문을 던진다. 우리는 세계를 있는 그대로 바라보고 있는가, 아니면 우리가 관측하는 순간 현실이 형성되는 것인가? 만약 다세계 해석이 맞다면, 우리는 수많은 평행 우주 속에서 단 하나의 삶을 경험하고 있는 것일까? 이러한 질문들은 물리학뿐만 아니라 철학, 인공지능, 심지어 문학과 예술에까지 영향을 미치고 있다. 오늘날에도 과학자들은 더 정밀한 실험을 통해 양자역학의 해석을 좁혀가고 있지만, 여전히 많은 미스터리가 남아 있다. 우리가 고양이의 운명을 궁금해하는 동안, 어쩌면 양자역학은 우리 자신의 존재 방식에 대한 더 깊은 성찰을 요구하고 있는지도 모른다.