‘상자 안 고양이, 죽었지만 살아 있다’… 고전 물리학 뒤집은 양자역학[Science]

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 그래픽=송재우 기자, 게티이미지뱅크

■ 하이젠베르크가 다진 양자기술의 해 100주년

어떤 입자 관찰 않을 땐 파동
관측하는 순간 입자로 붕괴

사과 보고 빨간색 말했다 해도
햇빛에 비친 파장의 반사일 뿐

1965년 노벨물리학상 파인먼
“양자역학 이해했다면 거짓말”

毒 접한 고양이, 산 상태로 죽음
말 안되지만 특성 설명 대표예시

양자컴퓨터, 양자통신, 양자센서…과학계는 양자 열풍에 빠져 있다. 기존 컴퓨터의 한계를 아득히 뛰어넘는다는 양자컴퓨터와 해킹으로부터 안전하다는 양자통신 등 양자기술에 대한 관심은 산업화의 가능성에 그 어느 때보다도 뜨겁다. 유엔은 지난해 6월 1925년 독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크가 양자역학의 근간을 다진 지 100주년을 맞아 올해를 세계 양자과학 기술의 해(IYQ)로 지정하기도 했다.

양자역학은 무엇이며 어떤 원리를 갖고 있는 것인지 의문이 드는 것은 당연하지만 눈에 보이지 않는 미시세계의 운동 법칙을 머릿속에 떠올리는 일은 난해하다. 입자물리학, 양자역학의 권위자로서 1965년 노벨물리학상을 받은 미국의 이론 물리학자 리처드 파인먼은 “양자역학을 이해한 사람은 아무도 없을 것”이라며 “그렇다고 말하는 사람이 있다면 새빨간 거짓말이다”라고 말하기도 했다. 입자이자 파동이 중첩된 상태라는 말은 무슨 뜻이며, 슈뢰딩거의 고양이는 왜 상자에 있는가? 유명한 두 가지 실험을 통해 양자역학의 극히 일부분을 지극히 이해하기 쉬운 방법으로 알아본다.

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◇입자면서 파동이지만 관측하면 입자로=양자역학에서 가장 기묘하면서도 난해한 주제 중 하나는 입자-파동 이중성이다. 이는 어떤 입자가 입자인지 파동인지 확정되지 않은 상태라는, 즉 입자면서 파동이라는 의미다. 입자는 질량을 가지는 일종의 알갱이로, 우리가 볼 수 있는 거의 대부분의 물질은 입자다. 파동은 파도나 음파와 같이 알갱이가 아닌 연속적인 진동으로 위치를 확정할 수 없다. 가만히 멈춘 수면에 돌을 던졌을 때 물결이 이는 현상은 파동성을 볼 수 있는 좋은 예시다.

고전역학에서 전자는 입자였다. 그런데 양자역학에선 전자가 입자면서 파동이다. 이를 보여주는 실험이 이중슬릿 실험이다. 어떤 상자 안에 전자를 하나씩 발사하는 전자총이 있고, 세로로 길쭉한 모양의 구멍(슬릿)이 두 개 뚫려 있는 벽을 향해 발사한다고 하자. 슬릿 너머엔 전자가 도착한 흔적이 남는다. 입자 상태의 전자는 실체가 있는 알갱이이므로, 슬릿은 통과할 수 있지만 슬릿이 없는 벽은 통과할 수 없다. 따라서 실험을 진행하면 슬릿 너머의 벽엔 슬릿 모양대로 두 줄의 흔적이 남는 것을 관찰할 수 있다.

그런데 상자를 닫고 실험을 진행한다면 얘기는 달라진다. 상자를 닫고 관찰하지 않는 상태에서 원격으로 전자총을 발사했더니 슬릿 너머 벽에 여러 줄의 흔적이 남은 것이다. 이는 입자가 아닌 파동이 슬릿을 향했을 때, 파동이 두 개의 슬릿을 동시에 통과하고 서로 간섭을 일으키며 남는 흔적이다. 이를 간섭무늬라고 한다. 즉, 간섭무늬가 남았다는 것은 발사한 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과했다는 뜻이다. 고전역학적 관점에선 불가능한 얘기다. 즉 같은 전자총을 쐈는데 입자일 수도 있고 파동일 수도 있는 것이다. 전자가 파동일 수도 있다는 이 사실은 1927년 데이비슨과 거머의 실험을 통해 입증됐다.

◇‘관측’하는 순간 결정…상호작용으로 ‘붕괴’=과학자들은 이렇게 차이가 나는 이유를 ‘관측 여부’에 있다고 봤다. 전자는 관측될 땐 입자지만, 밀폐된 공간에서 관찰하지 않을 땐 파동성을 가진다는 얘기다. 이것이 닐스 보어가 주장한 입자-파동 이중성이다. 어떤 입자를 관찰하지 않을 땐 파동이지만 관측하는 순간 입자로 붕괴한다는, 입자이면서 파동이라는 얘기는 이런 의미다. 우리가 전자를 관측할 경우 위치가 확정된 입자로 존재하지만 관측하지 않으면 파동의 성질을 가지며 위치 역시 확률적으로 존재한다는 것이다. 이런 내용을 포함하는 양자역학의 해석이 바로 1920년대 보어와 하이젠베르크 등에 의해 제안된 코펜하겐 해석으로, ‘확률적으로 중첩된 상태’라는 기묘한 주장은 코펜하겐 해석에서 가장 유명한 부분이라 할 수 있다.

보어의 상보성 원리에 따르면 어떤 존재는 주변에 상호 작용하는 대상이 많을수록 입자에 가까워지고, 상호 작용이 없을수록 파동에 가까워진다. 데이비슨과 거머의 이중슬릿 실험으로 돌아가서, 실험을 관측하자 전자가 입자의 특성을 보인 이유는 관측 자체가 일종의 상호 작용이기 때문이다. 무언가를 관측, 즉 우리 눈으로 보기 위해선 빛이 필요하다. 무엇인가를 본다는 행위는 필연적으로 상호 작용을 의미하고 있다. 흔히 사과를 보고 빨간색이라고 말할 때 사과로부터 빨간빛이 나와 눈으로 들어온다고 착각하기 쉽지만, 사실 햇빛이나 전등 빛이 사과에 부딪힌 후 빨간색 파장이 눈으로 반사돼 들어온다는 사실이 대표적이다.

물론 우리가 사과를 보지 않는다고 해서 사과가 갑작스럽게 파장으로 변하거나 바라보는 행위가 사과의 모습을 바꾸진 않는다. 그런데 양자역학이 다루는 미시세계는 너무 작아서, 예컨대 전자의 경우 상자를 열고 빛에 닿는 행위만으로도 큰 상호작용이 된다. 다른 예시로, 과학자들은 이중슬릿 실험을 통해 양자역학이 어디까지 적용될 수 있는지 실험하고 있다. 풀러렌(C60)이 대표적으로, 풀러렌은 탄소 원자 60개가 모여 축구공 모양을 이루는 탄소 동소체다. 단연 전자와는 비교할 수 없을 정도로 크지만, 사과나 고양이보단 작다. 이 풀러렌을 이중슬릿을 향해 발사하면 입자처럼 두 개의 줄이 나타나지만, 실험을 진행하는 박스를 진공 상태에 가깝게 만들면 간섭무늬가 나온다. 즉 공기 분자와의 상호작용이 풀러렌을 입자로 만든다는 얘기다.

◇고양이가 살아있으면서 죽어있다니=흔히 양자역학에 관한 이야기가 나올 때 제시되는 이야기가 바로 슈뢰딩거의 고양이 실험이다. 독일의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 제시한 이 실험의 요점은 ‘고양이가 살아있으면서 죽어있다’는 기묘한 말로 귀결된다. 실험 내용은 이렇다. 방사선이 차폐되는 한 상자 안에 고양이와 우라늄 입자, 가이거 계수기, 독극물이 든 병과 망치가 들어있다. 우라늄 입자는 1시간이 지나면 절반의 확률로 붕괴하며 방사선 입자를 내뿜는다. 가이거 계수기는 방사선을 계측하는 데 쓰이는 장비로, 우라늄 입자가 내뿜는 방사선을 감지하면 작동한다. 망치는 가이거 계수기에 연결돼 가이거 계수기가 방사선을 감지하면 바닥에 놓인 독극물 병을 내려치게 설계돼 있다. 병이 파손돼 독극물이 흘러나오면 고양이는 죽는다. 한 시간 후 이 고양이는 살아있는가? 고양이는 죽었을 수도 있지만 살아있을 수도 있다. 여기서 코펜하겐 해석을 따르는 과학자들은 고양이가 확률적으로 살아있으면서 죽은, 중첩된 상태라고 말한다. 그러다 상자를 열고 관측하는 순간 하나의 상태로 확정되고, 이를 다른 말로 파동함수가 붕괴된다고 표현한다. 이는 경험적·직관적으로 말이 안 되는 얘기다. 생명체가 살아있으면서 죽은 상태로 존재한다는 건 비현실적이기 때문이다. 그러나 이 비현실적인 사고 실험은 양자역학의 기묘한 특성을 설명하는 대표적인 예시로 남아있다.

구혁 기자 gugija@munhwa.com