📸 관측이 만든 현실 : 현실은 왜 우리가 보는 것과 다를 수 있는가

 

 

 

 

 

 

이중 슬릿 실험에서 다세계 해석까지- 현실은 왜 우리가 보는 것과 다를 수 있는가

 

우리 주변의 세계는 분명하고 견고해 보인다. 사과는 떨어지고, 사람은 한 번에 한 곳에만 존재한다. 그러나 양자역학의 세계로 들어가면 이 모든 상식은 무너진다. 우리가 "현실"이라 부르는 이 개념조차, 아주 작은 스케일에서는 전혀 다른 방식으로 작동한다.

과연 현실은 우리가 인식하는 그대로일까? 전자 한 개가 만들어낸, 하지만 과학의 철학을 뒤흔든 하나의 실험. 이중 슬릿 실험은 단순한 물리 실험을 넘어, 세계의 본질에 대한 인식 자체를 바꾸어 놓았다. 그리고 그 연장선에는 다세계 해석이라는 도발적인 해석이 있다.

본  '유니버스_yooniverse' 칼럼에서는 이중 슬릿 실험에서 출발해 코펜하겐 해석의 철학적 난점, 그리고 다세계 해석이 던지는 근본적 물음까지 깊이 있게 살펴본다.

 

 

- 이중 슬릿 실험 – 예상과는 다른 결과

이중 슬릿 실험은 양자역학의 정수를 함축한 대표적인 실험이다. 실험 자체는 간단하다. 전자 또는 광자와 같은 입자를 하나씩 쏘되, 그 앞에 두 개의 얇은 슬릿이 뚫린 판자를 두고 그 뒤에는 입자가 충돌하는 위치를 기록할 수 있는 스크린을 배치한다. 과학자들은 전자가 입자라면 두 개의 슬릿 중 하나만을 통과할 수 있을 것이라 예상했고, 따라서 스크린에는 단순한 두 줄의 충돌 흔적이 나타날 것이라 생각했다.

그러나 실험 결과는 그들의 예상을 완전히 뒤엎었다. 전자 하나하나를 쏘았음에도 불구하고, 스크린에는 단순한 두 줄이 아닌 다수의 밝고 어두운 줄이 교차하는 간섭 무늬가 나타난 것이다. 이는 파동에서 나타나는 전형적인 간섭 현상으로, 마치 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 지나가면서 자기 자신과 간섭을 일으킨 것으로 해석된다. 입자로 보았던 전자가 파동처럼 행동한 것이다. 더욱 놀라운 점은 전자를 하나씩 쏘았음에도 불구하고 시간이 지남에 따라 파동 간섭 무늬가 누적된다는 점이다. 이는 단일 전자가 스스로 두 경로를 동시에 취하고 있다는 의미로 해석할 수 있다.

 

 

-관측이라는 행위가 현실을 바꾸다

이러한 현상을 좀 더 명확히 이해하기 위해 과학자들은 다음 실험을 고안했다. 전자가 어떤 슬릿을 통과하는지 확인하기 위해 슬릿 바로 앞에 관측 장치를 설치한 것이다. 놀랍게도, 이 경우 간섭 무늬는 사라지고, 고전 물리학에서 예측한 그대로 단순한 두 줄의 충돌 자국만이 나타났다. 이는 전자가 파동이 아닌, 하나의 입자로서 한 슬릿만을 통과했음을 의미한다.

관측 여부 하나로 인해 실험 결과가 완전히 달라진 것이다. 관측하지 않으면 전자는 두 슬릿을 동시에 지나 파동처럼 행동하고, 관측하면 단일한 경로만을 취하는 입자처럼 행동한다. 이는 '관측'이라는 행위가 물리적 현실에 영향을 준다는 것을 시사하며, 양자역학의 핵심인 측정 문제를 극명하게 드러낸다.

 

 

 

 

 

 

코펜하겐 해석과 파동함수의 붕괴_!!

이러한 실험 결과에 대해 가장 널리 수용된 해석은 코펜하겐 해석이다. 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크가 주도한 이 해석에 따르면, 전자와 같은 양자 입자는 관측 전까지는 확률적인 파동 상태에 있으며, 관측이 이루어지는 순간 파동함수가 붕괴하면서 단일한 현실로 수렴한다고 본다.

즉, 전자는 동시에 여러 경로에 존재할 수 있는 중첩 상태로 존재하다가, 관측하는 순간 하나의 경로를 선택하여 물리적 실체로 존재하게 된다는 것이다. 이 해석은 측정 전까지의 상태를 수학적으로는 기술할 수 있지만, 그 상태가 물리적으로 실재하는가에 대해서는 명확한 입장을 취하지 않는다. 다시 말해, 파동함수는 물리적 실체가 아니라 '가능성의 수학적 표현'일 뿐이라는 점에서 실재론에 회의적인 입장을 취한다.

슈뢰딩거의 고양이와 철학적 문제

이러한 사고를 보다 직관적으로 설명하기 위해 슈뢰딩거는 유명한 사고실험을 제시했다. 고양이가 들어 있는 상자 안에 방사성 물질과 독가스 장치를 넣고, 방사성 붕괴가 감지되면 고양이는 죽게 된다. 문제는 방사성 붕괴가 확률적이라는 점이다. 상자를 열기 전까지는 고양이가 죽은 상태와 살아 있는 상태가 중첩되어 있다는 것이다. 고양이의 상태는 상자를 여는 순간에만 결정되며, 이는 양자 중첩이 거시적 수준에서도 발생할 수 있음을 암시한다.

이 사고실험은 현실의 결정이 🪐'관측'이라는 행위에 달려 있다는 점을 극단적으로 드러낸다. 관측 없이는 현실도 존재하지 않는다는 급진적인 결론은 과학자들뿐 아니라 철학자들에게도 큰 충격을 안겨주었다.

 

 

 

-확률 밀도와 전자의 위치

양자역학에서 전자는 고전적인 의미의 입자가 아니다. 특정한 궤적을 갖고 움직이며 그 위치를 언제든 측정할 수 있는 존재가 아니다. 대신 전자는 파동함수에 의해 기술되며, 이는 어떤 공간상에 전자가 존재할 '가능성'의 분포를 나타낸다. 이 확률 분포는 반복 실험을 통해 통계적으로 확인할 수 있으며, 실제로 다수의 입자 위치를 기록한 결과는 파동함수로 예측한 확률 밀도와 일치한다.

예를 들어, 동일한 조건의 9개의 상자에 각각 전자를 넣고 동시에 개봉했을 때, 전자들은 상자 내 서로 다른 위치에서 발견될 수 있다. 이 과정을 수천 번 반복하면 전자들이 특정 위치에서 더 자주 발견된다는 것을 알 수 있고, 이는 해당 위치에 전자가 존재할 확률이 높다는 것을 의미한다.

이처럼 전자의 실체는 '존재'가 아닌 '존재 가능성'으로 표현되며, 이는 고전적 결정론과는 근본적으로 상충하는 개념이다.

 

 

 

그렇다면....측정이란 무엇인가?

문제는 관측이란 무엇인가 하는 점이다. 도대체 무엇이 관측이고, 어떤 행위가 파동함수를 붕괴시켜 현실을 확정 짓는가? 인간의 의식이 개입되어야 하는가? 아니면 기계 장치에 의한 물리적 상호작용도 관측으로 간주되는가?

 

 

코펜하겐 해석은 이 질문에 대해 명확한 기준을 제시하지 못한다. 실용주의적 태도 아래에서는 이러한 질문은 무의미하거나 부차적이라고 여길 수도 있다. 그러나 현실의 존재 조건을 논할 때, 이 같은 불분명함은 큰 철학적 문제로 남는다.

다세계 해석 – 또 하나의 대안

이러한 모호성과 해석의 한계를 넘어서기 위해, 휴 에버렛은 1957년 '다세계 해석(Many-Worlds Interpretation)'을 제안했다. 이 해석은 파동함수의 붕괴를 인정하지 않는다. 전자가 두 슬릿을 동시에 통과한 것은 파동함수가 여러 상태로 분기된 결과이며, 각 상태는 독립적인 세계로 존재한다는 주장이다. 즉, 하나의 우주가 아닌, 무수히 많은 평행 우주가 존재하며, 모든 가능한 결과는 각기 다른 우주에서 실제로 발생한다.

이 해석은 수학적으로 슈뢰딩거 방정식을 그대로 유지하면서도 파동함수 붕괴나 관측자 개입이라는 개념 없이도 양자현상을 설명할 수 있다는 장점이 있다. 측정은 더 이상 확률적 결과가 아니라, 우주의 분기를 통해 모든 가능성이 실현되는 과정으로 해석된다. 우리는 단지 그 중 하나의 결과만을 인식할 뿐이다.

 

 

 

🪐🪐다세계 해석의 문제점과 가능성

하지만 다세계 해석도 전혀 결점이 없는 것은 아니다. 가장 큰 비판은 그 실재를 실험적으로 검증할 수 없다는 점이다. 우리가 경험하지 못하는 세계가 존재한다고 주장하는 것은 철학적으로는 가능하지만, 과학적으로는 검증불가능한 주장이 될 수 있다.

또한 우주가 매 순간마다 분기된다면, 에너지 보존 법칙 등 기존 물리학의 기본 전제들과 어떻게 정합성을 이룰 것인가 하는 물음도 제기된다. 확률의 개념 또한 다르게 해석해야 하며, 관측자 자신조차 분기된다는 점에서 자아의 정체성과 철학적 존재론에 대한 문제도 함께 등장한다.

-현실에 대한 새로운 상상력

이중 슬릿 실험은 단순한 물리 실험이 아니다. 그것은 우리가 현실이라고 믿는 것의 작동 방식을 근본에서 다시 묻는 실험이다. 관측이 현실을 결정짓는가? 현실은 단 하나인가? 아니면 무수한 가능성의 분기 중 우리가 인식하는 하나에 불과한가?

이 질문들은 단지 과학기술의 영역을 넘어서, 인간 존재, 의식, 자유의지, 인식론과 연결된다. 양자역학은 현대 과학 중 가장 강력한 예측력을 가진 이론이지만, 동시에 가장 많은 해석과 논란을 동반하는 이론이기도 하다. 이중 슬릿 실험은 그 출발점이며, 다세계 해석은 그 끝이 아닐 수도 있다.

우리는 어쩌면 지금 이 순간도 무수히 갈라지는 현실의 한 갈래 속에 존재하고 있는지도 모른다. 그리고 그 가능성을 이해하는 것은 단지 과학적 사고의 확장이 아니라, 인간 이해의 지평을 넓히는 일일지도 모른다.

 

 

 

 

by.유니버스 _Yooniverse. 

 

 

 

 

 

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