하이젠베르크 불확정성 원리에서 슈뢰딩거 고양이까지
요즘 몇 사람이 모여서 프로젝트를 하나 하고 있는데 책을 가지고 하는 것이다. 그런데 레퍼런스로 참고하는 책이 양자역학에 대해서 잘못 설명한거 같아서 간단하게 설명을 해주는데 블로그에도 한번 정리해서 올려보고자 한다. (과학서적은 아니고 일반 자기개발서이다)
슈뢰딩거 고양이? 하이젠베르크 불확정성 어디서 많이 들어보지 않았는가?
베르너 카를 하이젠베르크(독일어: Werner Karl Heisenberg)
하이젠베르크는 교수시절 학생들에게 원자의 구조에 대해서 수업을 하였는데, 너무 어려운 나머지 학생이 이런 질문을 한다.
그냥 끝내주게 좋은 현미경을 만들어서 직접 보면 안되요?
하이젠베르크는 이 말을 듣고 처음에는 흥미가 생겨서 연구를 했는데 이내 이것이 불가능하다고 판단한다.
이유인 즉슨, 우리가 무언가를 보는것은 물체에 반사된 가시광선을 보는 것이다.
입자의 크기는 가시광선의 파장보다 작기때문에 반사되는것이 없고, 그말은 곧 관찰할수 없다는 이야기가 된다.
그렇다고 극초단파를 쏘아서 입자를 맞추면 반사되서 관찰을 할 수는 있지만, 너무나도 강한 에너지를 받은 입자는 이미 그자리에 없다.
*파장은 짧을수록 에너지가 커진다.
이것을 두고 위치와 에너지는 동시에 측정 할 수 없다는 것이 하이젠베르크의 불확정성원리이다.
다만 우리는 % 확률을 알 수 있다.
보어의 원자에 따르면 전자는 어느 일정한 궤도를 확정된 위치에서 돌고 있어야 하는데
막상 관찰을해보니 그렇지 않았다.
그렇기 때문에 어디에 확정된것이 아닌 어디 쯤에 있을 확률을 나타내는 원자구름의 형태로 나온다.
하지만 여기에 반발하는 과학자가 있었는데 바로 슈뢰딩거이다.
확률론적인 불확정성이 마음에 들지 않아서 한가지 사고 실험을 하는데 그것이 바로 슈뢰딩거의 고양이이다.
원자 상태는 업, 아니면 다운이다.
하지만 불확정성원리에 따르면 우리는 이게 업인지 다운인지 알 수 없고, 중첩되어 있다고 이야기를 한다.
슈뢰딩거의 고양이는 사고실험으로(고양이 실제로 안들어간다) 50%의 확률로 원자가 붕괴되고
원자가 붕괴되면 독가스가 나와서 고양이가 죽는다고 하자.
그렇다면 고양이는 50%의 확률로 살 수 있고, 50%의 확률로 죽을 수가 있는데
고양이는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩되어 있다.
사실 모순인 것이다. 살아있으면 살아 있는것이고 죽어 있으면 죽은 것이다.
만약에 관찰자가 상자를 열어서 보았을때 고양이는 죽거나 살아있거나 하나의 고정된 값을 가지는데
이를 결정된다고 한다.
어떻게 보면 관찰자가 고양이를 살리기도 하고 죽이기도 하는 것이다. 뭔가 불합리 하지 않은가?
코펜하겐 해석으로 설명하자면
양자역학에서는 중첩되어 있지만 관찰자가 확인하는 순간 100%의 고정된 값을 가진다는 것이다.
이거를 과학적인 말로 파동함수가 붕괴된다고 표현한다.
여기서 다중세계 해석으로도 이어지는데 살아있는 고양이 세계와 죽은 고양이 세계가 분리 된다고 표현하기도 한다.
평행우주가 만들어지고 서로 영향을 주지 않는다고 해석한다.
여기서는 파동함수가 각각의 세계로 진입할 확률을 뜻하게 된다.
여담이지만 아인슈타인은 불확정성원리를 듣고 화를냈다고 하면서 이런 말을 하였다.
달이 보이지 않는다고 해서 달이 존재할 확률을 논할 것인가?
다른 과학자들도 이런 말을 패러디해서 축구관중은 축구경기에 어떤 영향을 끼치나? 라고 하였다.
아인슈타인의 신은 주사위를 던지지 않는다는 말도 여기서 나온다. 확률론의 비합리성을 비판하는 말이다.
하지만 현대과학에서는 확률론적인 불확정성원리를 인정하였으며 후에 아인슈타인도 인정을 한다.
