관찰하기 전 양자 물체의 상태
양자 입자는 단순히 어디에 있을 확률만 가진 것이 아니라 파동함수로 묘사돼. 모든 가능성을 한꺼번에 담는 수학적 대상이야. 파동함수는 슈뢰딩거 방정식에 따라 예측할 수 있게 변한다는 의미에서 실제로 존재해. 입자를 측정했을 때 어떤 상태에서 발견할 확률이 얼마나 되는지도 알려 주지.
그런데 측정하는 순간 이상한 일이 벌어져. 파동함수가 하나의 특정 상태로 붕괴해. 측정 전에는 입자가 가능한 여러 위치와 운동량, 스핀에 걸쳐 "퍼져" 있었지만 측정 뒤에는 한 상태에 놓여. 붕괴는 갑작스럽고 되돌릴 수 없으며 표준 양자역학에서는 확률에 따라 정해져. 각 결과의 확률은 예측할 수 있지만 어떤 결과가 실제로 나올지는 미리 알 수 없어.
슈뢰딩거의 고양이 — 지나치게 성공한 사고 실험
슈뢰딩거는 1935년 양자역학을 글자 그대로 받아들일 때 얼마나 이상한지 보여 주려고 사고 실험을 제안했어. 밀폐된 상자 안에 고양이와 양자 사건으로 작동하는 독약병을 넣어. 방사성 원자가 붕괴해야만 독이 풀리고, 정해진 시간 안에 붕괴할 확률은 50 대 50이야. 파동함수를 문자 그대로 읽으면 상자를 열기 전 고양이는 살아 있음과 죽어 있음이 겹친 상태야. 상자를 열면 파동함수가 붕괴하고 고양이는 둘 가운데 한 상태가 돼.
슈뢰딩거는 이것을 귀류법으로 내놓았어. 이 결론은 터무니없으니 양자역학을 글자 그대로 읽어서는 안 된다는 뜻이었지. 그런데 원자와 분자, 작은 생물 체계 같은 더 작은 대상을 이용한 실험에서 중첩은 놀라울 만큼 큰 규모까지 실제로 나타났어. 고양이 자체는 너무 크고 주변과 너무 많이 상호작용해서 중첩을 오래 유지하지 못하지만 원리 자체는 진짜야.
여기에서 "관찰"은 무엇을 뜻할까
관찰하려면 의식을 지닌 관찰자가 필요할까? 흔한 질문이지만 답은 아니야. 양자역학에서 "측정"은 결과가 기록될 만큼 큰 계와 일어나는 모든 상호작용을 뜻해. 전자가 사진판에 부딪히는 것도, 광자가 원자에서 튕겨 나오는 것도 측정이야. 사람이 직접 볼 필요는 없어. 양자계가 충분히 큰 환경과 얽히면 중첩은 결어긋남을 거쳐 한 결과로 정리돼.
그래서 인간의 규모에서는 세상이 양자처럼 보이지 않아. 우리는 너무 크고 환경과 너무 깊이 얽혀 있어서 양자 중첩을 유지할 수 없어. 기술적으로는 파동함수가 우리도 묘사하지만, 결어긋남이 우리가 알아차리기도 전에 끊임없이 상태를 붕괴시켜.
일상의 선택과 이어 보기
모든 선택을 측정과 닮은 일로 생각해 봐. 결정하기 전에는 여러 미래가 진폭, 대략 확률에 따라 서로 다른 무게를 가져. 결정하면 그중 하나가 현실이 돼. 다른 진폭이 양자적인 뜻에서 글자 그대로 사라지는 것은 아니야. 그렇게 말하려면 다세계 해석이 필요하지. 다만 각자의 국소적인 경험에서는 한 갈래만 "일어난 일"이 되고 나머지는 사라져. 선택과 측정은 구조적으로 닮아 있어. 다음 두 레슨에서는 파인만의 경로적분과 탁자 위의 D20으로 이 모습을 더 구체적으로 살펴볼 거야.