초딩도 이해하는 양자역학 – 고양이는 왜 살아있고 죽어있을까?

초딩도 이해하는 양자역학 – 고양이는 왜 살아있고 죽어있을까?

‘양자역학’이라는 단어만 들어도 머리가 아파오는 분들 많을 겁니다. 물리학에서 가장 어렵다고 알려진 이 분야는 사실 우리 일상과도 밀접한 관련이 있어요. 그런데 이런 어려운 개념을 설명할 때 자주 등장하는 것이 바로 ‘슈뢰딩거의 고양이’입니다. “고양이가 살아 있으면서도 죽어 있다고?” 도대체 무슨 말일까요?

이 이야기를 이해하려면 먼저, 양자역학이 어떤 세상을 설명하려는 학문인지 알아야 합니다. 우리가 눈으로 보는 세상은 고전 물리학으로 대부분 설명이 되지만, 아주 작은 세계, 즉 원자나 전자 같은 입자의 세계는 전혀 다른 규칙으로 움직입니다. 이 작은 세계에서는 모든 것이 동시에 일어날 수 있고, 관찰하기 전까지는 어떤 상태인지 확정되지 않는다고 하죠.

여기서 등장하는 것이 바로 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거입니다. 그는 양자역학의 이상함을 설명하기 위해 상자를 이용한 실험을 상상해봤습니다. 그 안에는 고양이 한 마리와 독가스, 방사능 물질, 그리고 방사능 입자를 감지하는 장치가 들어 있습니다. 이 장치는 일정 확률로 방사능을 감지하면 독가스를 방출하고, 그렇지 않으면 아무 일도 일어나지 않아요. 문제는 이 실험 장치를 사람이 관찰하기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 알 수 없다는 겁니다.

양자역학에 따르면, 관찰하기 전에는 고양이가 죽은 상태와 살아 있는 상태가 동시에 존재한다고 합니다. 이 상태를 ‘중첩(superposition)’이라고 부르죠. 상자를 열어보는 순간, 즉 우리가 관찰하는 순간 고양이의 상태가 결정된다고요. 말이 되는 것 같기도 하고, 전혀 아닌 것 같기도 하죠?

이 실험은 실제로 실행된 적은 없지만, 양자역학의 핵심적인 개념을 아주 쉽게 설명해 줍니다. 그리고 이 개념은 단순한 상상실험을 넘어서, 오늘날의 첨단 기술에도 응용되고 있어요. 예를 들면 양자 컴퓨터는 이런 중첩 상태를 활용해서 엄청난 계산을 빠르게 수행합니다. 우리가 흔히 쓰는 스마트폰, GPS도 양자역학의 원리를 바탕으로 작동하고 있죠.

어린이들에게 이 이야기를 들려주면 보통 이런 반응이 나옵니다. “고양이가 어떻게 동시에 살아있고 죽어 있을 수 있어?” 그런데 바로 그 질문이 양자역학의 출발점이에요. 왜냐하면 우리가 눈으로 보는 세계와는 전혀 다른 규칙이 존재한다는 걸 받아들여야 하니까요.

양자역학은 아직도 많은 미스터리를 안고 있지만, 분명한 건 그 안에는 우리가 앞으로 풀어야 할 새로운 가능성들이 무궁무진하게 숨어 있다는 겁니다. 지금은 낯설고 어렵게 느껴질 수 있어도, 미래 세대에겐 아주 친숙하고 중요한 개념이 될 수 있어요.

그래서 오늘은 슈뢰딩거의 고양이를 통해 양자역학이라는 어려운 개념에 한 걸음 다가가 보았습니다. 그럼 마지막으로, 이런 질문을 던져볼까요?

“혹시 지금 이 글을 읽고 있는 나도, 누군가 보기 전까진 존재하지 않는 걸까?”

생각만 해도 재미있지 않나요?