[사이언스 톡톡] 독약 든 상자에 갇힌 고양이… 죽은 것도 산 것도 아니라고?

양자물리학 난제 ‘슈뢰딩거의 고양이’

내 소개를 하기 전에 수수께끼 하나만 풀어 보자고. 재미있을 거야.

슈뢰딩거의 고양이 패러독스를 실제로 재현하면 대략 이런 모습이다.
위키피디아 제공

완전히 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리와 치명적인 독약인 청산가리가 담긴 병이 있어. 청산가리가 담긴 병 위에는 망치가 있고, 그 망치는 방사능을 측정하는 가이거 계수기와 연결돼 있지. 방사선이 감지되면 망치가 떨어져 청산가리병이 깨지고, 청산가리 가스를 마신 고양이는 결국 죽게 될 거야. 가이거 계수기 위에는 시간당 50%의 확률로 핵붕괴를 하는 우라늄 입자가 놓여 있어. 우라늄이 붕괴되면서 방사선을 내뿜어 가이거 계수기를 작동시킬 확률은 50%잖아. 그렇다면 고양이가 살아 있을 확률과 죽어 있을 확률도 50%겠지. 당신은 상자 속의 상황을 전혀 파악할 수 없어. 앞서 이야기한 정보만으로 1시간 후 상자 속 고양이는 어떻게 돼 있을지 생각해 보라고.

눈치챈 사람도 있겠지만 내가 1935년 독일에서 발간한 ‘자연과학’이란 과학저널에 쓴 ‘고양이 패러독스’야. 흔히 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 문제라고도 부르지. 난 오스트리아의 물리학자 에어빈 슈뢰딩거(1887~1961년)라네. 내가 세상을 뜬 지 딱 55년이 됐군. 드브로이의 물질파 이론을 발전시켜 파동방정식을 제안하고 파동역학을 만들어 양자물리학이 한 단계 더 발전할 수 있는 길을 텄지. 그 덕분에 1933년에 노벨 물리학상을 받았다네.

자, 앞의 문제로 다시 돌아가 볼까. 답이 뭐라고 생각하나. 혼란스럽다고? 당연하지. 답을 쉽게 얘기할 수 있다면 물리학적 재능이 무척이나 뛰어난 사람이지. 일반적으로 상자 속 고양이는 죽었거나 살아 있거나 어느 한 상태라는 답을 하겠지.


그렇지만 코펜하겐 학파로 불리는 양자물리학자들은 상자를 열어 관측을 하기 전까지 고양이는 죽은 것도 산 것도 아닌 죽은 상태와 살아 있는 상태가 동시에 존재하는 ‘중첩 상태’라는 답을 내놨지. 사실 이런 설명은 상식 범위를 벗어나는 것이기 때문에 쉽게 이해하기 어렵겠지만, 많은 과학자가 여러 형태의 실험으로 사실임을 증명했다네. 하지만 난 그런 확률적 해석을 아직도 받아들일 수 없어. 고양이 패러독스도 양자물리학의 확률론이 말도 안 된다는 점을 지적하기 위해 만든 것이었는데, 도리어 양자물리학을 잘 설명하는 하나의 사례로 자리잡아 버렸지 뭔가. 참 세상일은 알 수 없는 것 같아. 아인슈타인 박사도 나와 같은 생각을 갖고 있었지. 그렇지만 우리는 무조건 ‘우리가 맞고 너희가 틀리다’라고 주장한 것이 아니라 상대편과 끊임없는 토론을 하며 주장을 펼쳤지. 그 덕분에 양자물리학은 자신들의 약점을 보완하며 지금처럼 발전한 거야.

과학만 그렇겠나. 사회 모든 분야가 발전해 나가기 위해서는 고집이나 아집을 버리고 상대와 토론에 적극 나서야 하는 것 아니겠나 싶구먼.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr