양자역학에서 한 입자는 여러 상태를 동시에 겹쳐 가질 수 있습니다. 이것을 중첩이라 합니다. 1장에서 알갱이 하나가 두 틈을 동시에 지난 것이 바로 중첩입니다. 측정하는 순간 하나로 정해지지만, 측정 전에는 «어느 쪽인지 모르는 것»이 아니라 어느 쪽도 아닌 겹친 상태입니다.
슈뢰딩거는 이것이 얼마나 이상한지 보이려고 1935년 사고실험을 만들었습니다. 상자 안에 고양이와 방사성 원자, 그리고 원자가 붕괴하면 작동하는 장치를 넣습니다. 원자의 붕괴는 확률로만 말할 수 있으니 중첩 상태에 있고, 그렇다면 고양이도 «살아 있음»과 «그렇지 않음»의 중첩에 있어야 합니다. 슈뢰딩거의 의도는 이 결론이 터무니없다고 비판하는 것이었습니다 — 원자 하나의 애매함이 고양이 크기의 애매함으로 번져도 되느냐는 물음입니다.
둘째로 얽힘이 있습니다. 두 입자가 함께 만들어지면, 아무리 멀리 떨어져도 한 덩어리처럼 행동합니다. 한쪽을 측정해 결과가 정해지는 순간 다른 쪽의 상태도 즉시 정해집니다. 아인슈타인은 이것을 «유령 같은 원격 작용»이라 부르며 받아들이지 않았습니다. 다만 이것으로 정보를 빛보다 빠르게 보낼 수는 없습니다 — 각각의 결과는 무작위로 보이고, 둘을 맞춰 봐야 상관관계가 드러나기 때문입니다.
셋째로 터널링이 있습니다. 고전물리에서 공이 언덕을 넘으려면 언덕 높이만큼의 에너지가 있어야 합니다. 그런데 양자 세계의 입자는 파동이라 벽 너머에도 파동함수가 조금 새어 나갑니다. 확률이 0이 아니므로, 에너지가 모자라도 벽 반대편에서 발견될 수 있습니다.
이 셋은 이상한 이야기로 끝나지 않았습니다. 태양이 타는 것도 터널링 덕분이고(둘째 걸음 3장), 얽힘은 양자암호의 바탕이 되었으며(셋째 걸음 6장), 중첩은 양자컴퓨터의 심장입니다(셋째 걸음 5장).
🔬 한 걸음 더 — 고양이는 왜 중첩으로 안 보이나
오늘날 많은 물리학자가 유력하게 보는 설명은 결어긋남(decoherence)입니다. 중첩이 유지되려면 그 계가 바깥 세계와 완전히 떨어져 있어야 합니다. 그런데 고양이처럼 큰 물체는 공기 분자, 빛 알갱이, 열 등과 끊임없이 부딪힙니다. 부딪히는 순간 중첩의 «위상 관계»가 주변으로 새어 나가 흐트러지고, 겉으로는 «둘 중 하나»처럼 보이게 됩니다.
계산해 보면 이 흐트러짐은 물체가 클수록 엄청나게 빨리 일어납니다. 그래서 원자 하나는 중첩을 유지할 수 있지만 고양이는 사실상 불가능합니다. 다만 결어긋남이 «왜 하필 그 결과 하나가 나오는가»까지 완전히 설명하는지에 대해서는 지금도 의견이 갈립니다. 이 논쟁은 셋째 걸음 7·8장에서 다시 만납니다.
✏️ 이 장의 문제 14개
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B18기본
"슈뢰딩거의 고양이" 사고실험은 양자역학의 ( )(측정 전까지 여러 상태가 동시에 겹쳐있는 상태) 개념을 거시세계(고양이)에 적용했을 때 생기는 이상함을 보여주기 위해 고안되었다.
B19기본
입자가 고전역학적으로는 넘을 수 없는 에너지 장벽을, 마치 벽을 뚫고 지나가듯 통과하는 양자역학적 현상을 무엇이라 하는가?
B20기본
"양자얽힘 상태에 있는 두 입자는, 아무리 멀리 떨어져 있어도 한쪽을 측정하면 다른 쪽 상태가 즉시 정해진다. 이 현상을 이용하면 빛보다 빠르게 정보를 전달할 수 있다." (O, X) 이유를 서술하시오.
B39기본
슈뢰딩거의 고양이 사고실험에서, 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 '살아있는 상태'와 '죽은 상태'가 동시에 겹쳐 있는 상태로 설명된다. 이 사고실험이 보여주려는 양자역학의 개념은 무엇인가?
B40기본
고전역학에서는 공이 언덕(에너지 장벽)보다 낮은 에너지로 굴러오면 절대 그 언덕을 넘어갈 수 없다. 그런데 양자역학에서는 입자가 에너지 장벽보다 낮은 에너지를 가지고 있어도 그 장벽을 통과해 반대편에서 발견될 수 있다. 이 설명은 옳은가? OX로 답하고 이 현상의 이름을 쓰시오.
M30중간
양자 터널링이 실제로 응용되는 예를 한 가지 들고, 고전(뉴턴)역학의 관점에서는 왜 이런 현상이 불가능한 일인지 설명하시오.
S19심화
'슈뢰딩거의 고양이'는 상자를 열기 전까지 고양이가 중첩 상태라고 말한다. 슈뢰딩거는 이 실험을 양자역학이 옳다는 것을 보여주려던 것이 아니라 오히려 문제점을 지적하려 만들었다. 정말로 지적하고 싶었던 것이 무엇인지 설명하시오.
S20심화
다음은 한 학생의 설명이다. '얽힌 두 입자는 한쪽을 측정하면 다른 쪽 상태가 즉시 결정되므로, 이를 이용해 빛보다 빠르게 정보를 보낼 수 있다.' 틀린 부분을 찾아 고치시오.
S21심화
양자터널링은 '입자가 넘을 수 없는 에너지 장벽을 뚫고 지나간다'고 설명된다. 이것이 고전역학에서 왜 불가능해 보이는지, 양자역학에서는 왜 가능한지 파동함수의 관점에서 설명하시오.
S22심화
태양의 핵융합은 양자터널링이 없다면 현재 온도로 일어나기 매우 어렵다고 알려져 있다. 왜 그런지, 반도체 소자에서 터널링이 어떻게 이용되는지 설명하시오.
S25심화
'양자중첩'과 '양자얽힘'은 자주 함께 언급되지만 다른 개념이다. 두 개념의 차이를 예를 들어 설명하시오.
S27심화
1935년 EPR은 양자얽힘을 근거로 '양자역학은 불완전하며 숨은 변수가 결과를 미리 결정한다'고 주장했다. 이 주장이 어떻게 다루어졌는지, 오늘날 물리학자들의 입장을 설명하시오.
S29심화
슈뢰딩거의 고양이에서 상자를 여는 '관측' 순간 중첩은 하나로 확정된다. 이 사고실험이 던지는, 아직 명확히 답이 정해지지 않은 질문은 무엇인지 서술하시오.
S30심화
과학고 면접에서 "양자역학을 공부하면서 가장 인상 깊었던 개념"을 묻는다고 하자. 드브로이의 물질파, 불확정성 원리, 파동함수, 중첩·얽힘·터널링 중 최소 2개 이상을 연결지어, 고전역학이 왜 미시세계에서 통하지 않는지 하나의 이야기로 정리하시오.
