# 슈뢰딩거의 고양이 > [!abstract] 목차 > 1. [[#개요]] > 2. [[#역사적 배경]] > - [[#1935년의 맥락]] > - [[#EPR 역설과의 관계]] > - [[#슈뢰딩거의 의도]] > 3. [[#사고실험의 구조]] > - [[#실험 설정]] > - [[#코펜하겐 해석의 적용]] > - [[#역설의 핵심]] > 4. [[#해석별 응답]] > - [[#코펜하겐 해석]] > - [[#다세계 해석]] > - [[#결어긋남]] > - [[#객관적 붕괴 이론]] > - [[#숨은 변수 이론]] > 5. [[#현대적 실험]] > - [[#거시적 중첩의 실현]] > - [[#결어긋남 시간의 측정]] > 6. [[#문화적 영향]] > - [[#양자역학의 상징]] > - [[#대중적 오해]] > 7. [[#관찰자의 기록]] > 8. [[#같이 읽기]] ## 개요 **슈뢰딩거의 고양이**(Schrödinger's cat, 독일어: Schrödingers Katze)는 1935년 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)가 제안한 사고실험이다. 밀폐된 상자 안에 고양이와 방사성 원자, 독극물 장치가 있다. 방사성 붕괴가 일어나면 독극물이 방출되어 고양이가 죽는다. 양자역학에 따르면 상자를 열기 전에 원자는 붕괴 상태와 비붕괴 상태의 중첩에 있다. 그렇다면 고양이도 "살아 있으면서 동시에 죽어 있는" 중첩 상태에 있는가? 슈뢰딩거의 의도는 [[코펜하겐 해석]]의 기묘함을 비판하는 것이었다. 미시적 양자 중첩이 거시적 대상으로 확대될 때 어떤 일이 일어나는지—그 결과가 상식에 반하므로, 양자역학의 해석에 문제가 있다는 것이다. 이 사고실험은 같은 해 발표된 [[EPR 역설]]과 함께 양자역학의 완전성에 대한 도전으로 제시되었다. 역설적으로, 슈뢰딩거의 고양이는 비판 도구에서 양자역학의 상징으로 변모했다. 오늘날 대중문화에서 가장 널리 알려진 양자역학 개념이다. 그러나 슈뢰딩거가 제기한 근본적 질문—왜 우리는 중첩 대신 확정된 결과만 관측하는가?—은 90년이 지난 지금도 완전히 해결되지 않았다. 이것이 [[측정 문제]]의 핵심이다. ## 역사적 배경 ### 1935년의 맥락 1935년은 양자역학 해석 논쟁의 결정적 해였다. 이 해에 세 가지 중요한 논문이 발표되었다: 1. **EPR 논문** (5월): 아인슈타인, 포돌스키, 로젠이 "물리적 실재의 양자역학적 기술은 완전하다고 간주될 수 있는가?"를 발표. 양자역학이 불완전하다고 주장. 2. **보어의 응답** (10월): 보어가 같은 제목의 논문으로 EPR에 응답. 실재 개념 자체를 문제 삼음. 3. **슈뢰딩거의 논문** (11-12월): "양자역학의 현재 상황"(Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik)을 *Die Naturwissenschaften*에 발표. 고양이 사고실험이 포함됨. 슈뢰딩거는 EPR 논문에 영감을 받았다고 밝혔다. 그는 논문에서 "아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 근사를 자극하여 이론의 상황을 날카롭게 조명했다"고 썼다. 슈뢰딩거는 EPR의 비판을 더 직관적인 형태로 표현하고자 했다. ### EPR 역설과의 관계 [[EPR 역설]]은 얽힌 입자쌍을 사용하여 양자역학의 불완전성을 논증했다. 핵심은 "원거리 작용"(action at a distance)처럼 보이는 현상이다. 한 입자의 측정이 멀리 떨어진 다른 입자의 상태에 즉각적으로 영향을 미치는 것처럼 보인다. 슈뢰딩거는 EPR 논문을 읽고 아인슈타인과 서신을 교환했다. 이 과정에서 그는 "얽힘"(Verschränkung, entanglement)이라는 용어를 처음 사용했다. 슈뢰딩거는 얽힘이 양자역학의 "특징적 성질"이라고 불렀다—고전역학에서는 존재하지 않는. 고양이 사고실험은 EPR의 논증을 "한 입자"에서 "거시적 물체"로 확대한 것이다. 미시적 중첩이 거시적 중첩으로 확대될 때 역설이 더 극명해진다. 양자역학이 원자에 적용되는 것은 받아들일 수 있다. 그러나 고양이에도 적용된다면? ### 슈뢰딩거의 의도 슈뢰딩거의 원래 의도는 명확하다: [[코펜하겐 해석]]에 대한 비판이었다. 그는 논문에서 다음과 같이 썼다: > "상자 안에 고양이를 두어 전체 시스템의 ψ-함수가 살아 있는 고양이와 죽은 고양이가 (용서하시라) 동등한 부분으로 혼합되거나 섞인 것으로 표현되는 경우를 설정할 수 있다... 이러한 종류의 '흐릿한 사진'은 그 자체로 좋든 나쁘든 모호성이나 모순을 나타내지 않는다. 흐릿한 또는 초점이 맞지 않은 사진과 구름이나 안개의 사진 사이에는 차이가 있다." 슈뢰딩거의 요점은 코펜하겐 해석이 중첩 상태를 "흐릿한 사진"처럼 다룬다는 것이다. 그러나 실제로 고양이는 살아 있거나 죽어 있지, 둘의 "흐릿한" 혼합이 아니다. 양자역학이 고양이에 적용되면 "터무니없는"(burlesk) 결과가 나온다. 슈뢰딩거는 양자역학 자체를 부정하지 않았다—그는 그 형식주의의 공동 창안자였다. 그가 비판한 것은 코펜하겐 해석, 특히 파동함수가 물리적 실재를 직접 기술한다는 견해와 측정에 의한 파동함수 붕괴 개념이었다. ## 사고실험의 구조 ### 실험 설정 슈뢰딩거가 기술한 실험 설정은 다음과 같다: 1. **밀폐된 상자**: 불투명하고 완전히 밀폐됨. 외부에서 내부를 관찰할 수 없음. 2. **방사성 원자**: 한 시간 내에 50% 확률로 붕괴하는 방사성 물질. (슈뢰딩거는 "라듐 아주 소량"을 언급) 3. **가이거 계수기**: 방사성 붕괴를 감지하는 장치. 4. **망치와 독극물 병**: 가이거 계수기가 붕괴를 감지하면 망치가 작동하여 청산가리(HCN) 병을 깨뜨림. 5. **고양이**: 상자 안에 갇힘. 독극물이 방출되면 죽음. 실험은 한 시간 동안 진행된다. 한 시간 후 상자를 열기 전에 고양이의 상태는 무엇인가? ### 코펜하겐 해석의 적용 코펜하겐 해석에 따르면, 관측 전 방사성 원자는 붕괴 상태와 비붕괴 상태의 중첩에 있다: $|\text{원자}\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\text{붕괴}\rangle + |\text{비붕괴}\rangle)$ 원자와 가이거 계수기가 상호작용하면 얽힌 상태가 형성된다: $|\text{원자+계수기}\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\text{붕괴}\rangle|\text{작동}\rangle + |\text{비붕괴}\rangle|\text{비작동}\rangle)$ 이 얽힘이 망치, 독극물 병, 고양이로 확대되면: $|\Psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\text{붕괴}\rangle|\text{독극물 방출}\rangle|\text{죽음}\rangle + |\text{비붕괴}\rangle|\text{독극물 안전}\rangle|\text{삶}\rangle)$ 상자를 열어 "측정"하면 파동함수가 붕괴하여 두 가지 중 하나의 결과가 확정된다. 그러나 측정 전에는? ### 역설의 핵심 역설의 핵심은 다음과 같다: 1. **양자역학의 형식주의**: 측정 전 시스템은 중첩 상태에 있다. 파동함수는 고양이가 살아 있는 항과 죽어 있는 항의 합이다. 2. **상식**: 고양이는 살아 있거나 죽어 있지, 둘 다 동시에 아니다. "살아 있으면서 죽어 있는" 고양이는 존재하지 않는다. 3. **문제**: 양자역학의 형식주의를 문자 그대로 받아들이면 상식과 충돌한다. 그렇다면: - 양자역학이 거시적 시스템에 적용되지 않는가? - 아니면 양자역학의 해석에 문제가 있는가? - 아니면 우리의 "상식"이 틀렸는가? 슈뢰딩거는 첫 번째 또는 두 번째 가능성을 선호했다. 양자역학이 원자에서 고양이로 확대될 때 어딘가에서 "무너져야" 한다. 그러나 어디서? ## 해석별 응답 ### 코펜하겐 해석 [[코펜하겐 해석]]은 측정을 원초적 개념으로 받아들인다. 닐스 보어에 따르면, 측정 장치는 "고전적으로" 기술되어야 한다. 양자역학과 고전역학 사이에 개념적 경계가 존재하며, 이 경계를 넘어서는 분석은 불가능하다. 이 관점에서 고양이는 측정 장치의 일부이다. 고양이(또는 가이거 계수기)가 "관측"을 수행하는 순간 파동함수가 붕괴한다. 상자를 열기 전에도 고양이는 이미 살아 있거나 죽어 있다—우리가 모를 뿐이다. 그러나 이 응답은 문제를 해결하지 않는다. "측정"이 정확히 무엇인지, 왜 특정 상호작용이 붕괴를 야기하는지는 여전히 불분명하다. 하이젠베르크 컷—양자 영역과 고전 영역 사이의 경계—의 위치는 임의적이다. ### 다세계 해석 [[다세계 해석]]에서 파동함수 붕괴는 일어나지 않는다. 슈뢰딩거 방정식은 항상 적용된다. 대신, 측정 시 "우주가 분기"한다. 고양이 실험에서: - 고양이가 살아 있는 분기(branch) - 고양이가 죽어 있는 분기 둘 다 존재한다. 관찰자도 분기하여, 각 분기의 관찰자는 하나의 결과만 경험한다. "살아 있으면서 죽어 있는" 고양이는 없다—두 개의 고양이가 서로 다른 세계에 있다. 휴 에버렛 3세(Hugh Everett III)의 박사논문 원래 제목은 "확률 없는 [[파동역학]]"(Wave Mechanics Without Probability)이었다. 에버렛은 슈뢰딩거의 역설을 해결했다고 믿었다—붕괴 자체를 제거함으로써. ### 결어긋남 **결어긋남**(decoherence)은 1970년대 이후 발전한 이론이다. 핵심은 거시적 시스템이 환경과 격리될 수 없다는 것이다. 고양이는 수조 개의 원자로 구성되어 있다. 이 원자들은 주변 공기, 광자, 상자 벽과 끊임없이 상호작용한다. 이 상호작용으로 인해 간섭 항이 극히 빠르게(펨토초 단위로) 소멸한다. 실질적으로 중첩 상태는 유지될 수 없다. 결어긋남은 왜 거시적 중첩이 관측되지 않는지 설명한다. 그러나 결과 문제—왜 하나의 결과만 실현되는지—는 설명하지 못한다. 결어긋남 후에도 고양이가 살아 있는 세계와 죽어 있는 세계가 공존한다(다세계 해석 관점에서). 결어긋남은 해석과 독립적인 물리 현상이다. ### 객관적 붕괴 이론 **객관적 붕괴 이론**은 파동함수 붕괴가 실제 물리적 과정이라고 주장한다. 표준 양자역학이 수정되어야 한다. **GRW 이론**(1986)에 따르면, 파동함수는 무작위적으로 "자발적 국소화"를 겪는다. 단일 입자의 경우 국소화는 매우 드물지만(약 10⁸년에 한 번), 고양이는 약 10²⁷개의 입자로 구성되어 있어 국소화가 거의 즉각적으로 일어난다. 고양이는 결코 중첩 상태에 있지 않다. **펜로즈의 중력 붕괴 가설**: 로저 펜로즈는 중력이 붕괴를 유발한다고 제안했다. 두 위치의 중첩은 서로 다른 시공간 곡률을 만든다. 이 "시공간 중첩"이 불안정하여 일정 시간 후 붕괴가 일어난다. 고양이 크기에서 붕괴는 극히 빠르다. ### 숨은 변수 이론 **[[루이 드 브로이|드 브로이]]-봄 역학**에서 입자는 항상 확정된 위치를 갖는다. 파동함수는 입자의 운동을 안내하는 실재하는 장(field)이다. "중첩"은 파동함수의 속성이지 입자의 속성이 아니다. 이 관점에서 고양이는 항상 살아 있거나 죽어 있다—우리가 모를 뿐이다. 결과는 입자들의 초기 위치에 의해 결정론적으로 정해져 있다. 그러나 초기 위치를 정확히 알 수 없으므로 확률적으로 보인다. [[루이 드 브로이|드 브로이]]-봄 역학은 양자역학과 동일한 예측을 하면서 붕괴 문제를 제거한다. 그러나 비국소적이며, 입자 위치라는 추가 구조가 필요하다. ## 현대적 실험 ### 거시적 중첩의 실현 현대 실험 물리학은 점점 더 큰 시스템의 양자 중첩을 시연하고 있다: - **초전도 SQUID (1996)**: 약 10⁹개 전자가 두 방향의 전류 중첩 상태를 유지. - **풀러렌 분자 (1999)**: C₆₀(60개 탄소 원자) 분자의 이중 슬릿 간섭 시연. - **대형 유기 분자 (2019)**: 약 2000개 원자를 가진 분자의 양자 간섭 관측. - **나노기계 공진기 (2010)**: 눈에 보이는 크기의 기계 장치가 양자 바닥 상태에 놓임. 이 실험들은 "고양이 상태"(cat states)—거시적 구별 가능한 상태들의 중첩—를 실현하려는 시도이다. 실제 고양이는 아니지만, 슈뢰딩거의 사고실험이 제기한 질문에 실험적으로 접근하고 있다. ### 결어긋남 시간의 측정 결어긋남이 얼마나 빠르게 일어나는지도 측정되고 있다. 거시적 물체의 경우 결어긋남 시간은: - 먼지 입자(10⁻⁶ m): 약 10⁻¹⁷초 - 볼링공: 약 10⁻³⁷초 이 시간 척도는 상상할 수 없을 만큼 짧다. 실질적으로 거시적 중첩은 존재하자마자 사라진다. 슈뢰딩거의 고양이가 "살아 있으면서 죽어 있는" 상태를 유지하는 것은 물리적으로 불가능해 보인다. 그러나 결어긋남은 측정 문제를 완전히 해결하지 않는다. 간섭이 사라지는 것과 하나의 결과만 실현되는 것은 다른 문제이다. ## 문화적 영향 ### 양자역학의 상징 슈뢰딩거의 고양이는 과학사에서 가장 유명한 사고실험 중 하나가 되었다. 대중문화에서 양자역학을 언급할 때 거의 반사적으로 등장한다. 이 아이러니가 주목된다: 슈뢰딩거는 코펜하겐 해석을 비판하기 위해 사고실험을 고안했다. 그러나 오늘날 고양이는 양자역학의 "기이함"을 설명하는 교육적 도구로 사용된다. 비판 도구가 홍보 도구가 되었다. 2025년 *Nature* 설문조사에 따르면, 양자역학 연구자 1100여 명 중 36%가 코펜하겐 해석을 선호한다고 답했다. 나머지는 다양한 대안적 해석을 선호했다. 슈뢰딩거가 제기한 질문에 대한 합의는 여전히 없다. ### 대중적 오해 슈뢰딩거의 고양이는 종종 오해된다: 1. **"관측이 실재를 창조한다"**: 일부 대중적 해석은 관찰자가 고양이의 생사를 "결정"한다고 주장한다. 그러나 이것은 코펜하겐 해석의 정확한 표현이 아니다. 보어는 관찰자에게 특별한 역할을 부여하지 않았다. 2. **"고양이는 동시에 살아 있고 죽어 있다"**: 이것은 수학적 형식주의의 문자적 해석이다. 대부분의 물리학자들은 이 해석을 받아들이지 않는다. 문제는 형식주의가 무엇을 의미하는지이다. 3. **"양자역학은 불확실하다"**: 슈뢰딩거 방정식은 결정론적이다. 불확실성은 측정 과정에서 나타난다. 양자역학의 예측은 매우 정밀하다. 4. **"모든 가능성이 공존한다"**: 이것은 다세계 해석의 관점이다. 그러나 이것은 하나의 해석일 뿐, 양자역학의 필연적 결론이 아니다. ## 관찰자의 기록 슈뢰딩거의 고양이를 관찰하면서 몇 가지 특기할 점이 발견된다. 첫째, 사고실험의 목적과 수용의 역전이 주목된다. 슈뢰딩거는 코펜하겐 해석의 부조리함을 보여주기 위해 고양이 사고실험을 고안했다. 그러나 90년이 지난 오늘, 이 사고실험은 양자역학의 "기이함"을 설명하는 표준적 예시가 되었다. 비판 도구가 교육 도구로 변모했다. 이러한 의미 전환이 어떻게 일어났는지—저자의 의도와 후대의 수용 사이의 괴리—는 과학사의 흥미로운 현상이다. 둘째, [[측정 문제]]의 지속이 관찰된다. 슈뢰딩거가 제기한 근본적 질문—왜 거시적 중첩이 관측되지 않는가?—은 여전히 완전히 해결되지 않았다. 결어긋남은 왜 간섭이 사라지는지 설명하지만, 왜 하나의 결과만 실현되는지는 설명하지 못한다. 다세계 해석은 붕괴를 제거하지만, "세계"의 존재론적 지위는 논쟁적이다. 객관적 붕괴 이론은 양자역학을 수정해야 하지만, 실험적 확인은 없다. 90년 동안 해결되지 않은 문제가 "해결 불가능한" 것인지, 아니면 아직 발견되지 않은 해답이 있는지는 추가 관찰이 필요하다. 셋째, 형식주의와 해석의 분리가 다시 관찰된다. [[파동역학]]과 [[행렬역학]]에서도 관찰된 패턴—동일한 수학적 형식주의가 상반된 철학적 해석을 지지하는 데 사용될 수 있다—이 고양이 사고실험에서도 나타난다. 코펜하겐 해석, 다세계 해석, 결어긋남 해석 모두 동일한 수학적 형식주의에 기반한다. 그러나 "고양이가 어떤 상태에 있는가"에 대한 답은 완전히 다르다. 형식주의가 해석을 결정하지 않는다면, 해석의 선택은 물리학 외적 요소—미학, 직관, 철학적 성향—에 의존하는 것인가? 넷째, 아인슈타인과 슈뢰딩거의 협력이 흥미롭다. EPR 논문과 고양이 사고실험은 같은 해에 발표되었고, 두 사람은 서신을 교환했다. 양자역학의 두 창시자—아인슈타인은 광전 효과와 광자, 슈뢰딩거는 [[파동역학]]—가 자신들이 발전시킨 이론의 해석에 반대했다는 것은 주목할 만하다. 이론을 만든 사람들이 그 이론의 의미에 대해 동의하지 않는다는 것—이것은 양자역학에서만 관찰되는 현상인가? 다섯째, 대중적 인지도와 학술적 중요성 사이의 괴리가 관찰된다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학에서 가장 유명한 개념이다. 그러나 현대 양자역학 연구에서 고양이 사고실험이 직접적으로 논의되는 경우는 드물다. 연구자들은 결어긋남, 양자 정보 이론, 양자 중력 등 기술적 문제에 집중한다. 고양이는 대중 소통의 도구이지 연구의 대상은 아니다. 이 괴리가 의미하는 바—대중적 이해와 학술적 실천 사이의 관계—는 추가 탐구가 필요하다. ## 같이 읽기 ### 측정 문제 - [[측정 문제]] - 슈뢰딩거의 고양이가 제기하는 근본 문제 - [[파동함수 붕괴]] - 측정의 수학적 기술 - [[위그너의 친구]] - 관찰자의 역할에 대한 사고실험 ### 양자역학 해석 - [[코펜하겐 해석]] - 슈뢰딩거가 비판한 해석 - [[다세계 해석]] - 붕괴 없는 해석 - [[결어긋남]] - 고전적 행동의 출현 - [[객관적 붕괴 이론]] - GRW, 펜로즈 ### 관련 역설과 논쟁 - [[EPR 역설]] - 같은 해에 발표된 양자역학 비판 - [[양자 얽힘]] - 슈뢰딩거가 명명한 현상 - [[벨 부등식]] - 국소적 숨은 변수의 반증 ### 주요 인물 - [[에르빈 슈뢰딩거]] - 사고실험의 창안자 - [[닐스 보어]] - 코펜하겐 해석의 중심 인물 - [[알베르트 아인슈타인]] - EPR 역설의 공저자 - [[휴 에버렛]] - 다세계 해석 ### 형식주의 - [[파동역학]] - 슈뢰딩거가 창안한 형식화 - [[슈뢰딩거 방정식]] - 파동함수의 시간 변화 - [[보른 규칙]] - 확률 해석 **마지막 업데이트**: 2025-12-22 12:45:00