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체셔고양이 - 이상한 나라의 앨리스와 양자역학 본문

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체셔고양이 - 이상한 나라의 앨리스와 양자역학

키스 키스세븐 2017. 10. 14. 21:20
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[체셔고양이 - 이상한 나라의 앨리스와 양자역학]

양자역학에서 가장 유명한 설명은 슈뢰딩거의 고양이입니다. 그리고 2천 년대에 들어오며 양자역학에 체셔고양이도 등장했습니다. 체셔고양이는 이상한 나라의 앨리스에 나오는데, 물리학자들이 이렇게 고양이를 자주 등장시키는 이유는 그나마 친근한 비유이기 때문입니다. 




[글의 순서]

1. 슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지

2. 이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이

3. 양자역학의 체셔고양이


[엮인 글]

원자, 쿼크, 분자, 전자, 양성자, 원자핵, 중성자 - 작은 세계의 여행기




슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지


먼저 전체적인 흐름을 먼저 흩어 봅시다. 옛날에는 물리학이 '만유인력'의 영향 아래에 있었습니다. "뉴턴의 사과"는 만유인력을 비유하는 가장 일반적인 설명이었습니다. 

그런데 '양자역학'이라는 것이 탄생한 후에는 "슈뢰딩거의 고양이"가 비유로 사용되었습니다. 그리고 양자역학은 또 한 번의 발전을 하는데, 이때 '체셔고양이(Cheshire cat)'가 등장합니다. 


사진: 루이스 캐럴이 지은 이상한 나라의 앨리스에 나오는 체셔고양이. 체셔고양이는 각종 일러스트와 디자인으로 많이 사용되고 있다. [슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지](사진: 루이스 캐럴이 지은 이상한 나라의 앨리스에 나오는 체셔고양이. 체셔고양이는 각종 일러스트와 디자인으로 많이 사용되고 있다. [슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지] / ⓒ thethreesisters, John Tenniel)


눈에 보이는 큰 세계는 뉴턴의 법칙만으로도 별로 문제가 없었는데, 원자의 세계까지 들어가 보니 맞지 않는 경우가 너무 많아서 생긴 것이 양자역학입니다. 

그런데 우리가 흔히 접하는 세계가 아니다 보니 이해가 쉽지 않습니다. 그래서 물리학자들은 작은 세상의 이론을 설명하기 위해 '슈뢰딩거'의 고양이나 <이상한 나라의 앨리스>에 나오는 체셔고양이를 예를 들어 설명합니다. 


사진: 이상한 나라의 앨리스의 삽화 중 한 장면. 양자역학이라는 어려운 개념을 그나마 비유로 전달하기 위한 방법으로 이 동화를 이용하기도 한다. [슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지](사진: 이상한 나라의 앨리스의 삽화 중 한 장면. 양자역학이라는 어려운 개념을 그나마 비유로 전달하기 위한 방법으로 이 동화를 이용하기도 한다. [슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지] / ⓒ Prawny)


이전의 물리학에서는 세상을 고정된 물질들로 보았습니다. 예를 들어, 지도로 친다면 북아메리카의 미국은 단 한 군데만 존재하는 것입니다. 이런 상태면 이상한 나라의 앨리스에 나오는 체셔고양이 같은 것은 필요가 없습니다. 오직 한 군데에 그 것이 있기 때문입니다. 

양자역학처럼 원자까지 생각하지 않아도 됩니다. 과거의 과학은 눈으로 볼 수 있는 큰 덩어리만 연구하면 됐고, 큰 덩어리는 언제나 위치를 찾을 수 있었습니다. 


사진: 프랙탈의 시각화 그래픽. 차원과 불규칙한 형상을 표현하는 응용 개념이다. [슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지](사진: 프랙탈의 시각화 그래픽. 차원과 불규칙한 형상을 표현하는 응용 개념이다. [슈뢰딩거의 고양이부터 체셔고양이까지] / ⓒ Garik Barseghyan)


그런데 양자역학이 생기면서 물질의 위치는 고정되지 않고 관찰자의 시점에 따라 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 지도를 보면 경기도에도 광주시가 있고 전라도에도 광주시가 있는데, 지도의 어느 부분에서 찾느냐에 따라 다른 광주시를 찾게 되는 것처럼 말입니다. 하지만 우리가 찾는 광주시는 같은 이름입니다. 

이때 예를 드는 슈뢰딩거의 고양이가 이런 비유에 해당합니다. 관찰자가 어떻게 보느냐에 따라서 죽어 있기도 하고 살아 있기도 한 상태라는 뜻이니, 존재도 달라진다는 의미입니다. 





이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이


2천 년대에 들어서면서 양자역학마저도 또 한 번 발전을 하게 됩니다. 원자의 세계까지 들어가다 보니, 물질의 존재가 위치한 곳에서만 관찰되는 것이 아니었습니다. 각자의 양자계가 따로 있는 상태임에도 불구하고 한쪽의 변화가 다른 쪽의 변화를 일으키는 현상이 있었던 것입니다. 흔히 말하는 평행우주론에서 두 우주에 같은 사람이 살고 있는 것처럼 말입니다. 

그래서 이것을 설명하기 위해 양자역학에서는 체셔고양이를 등장시켰습니다. 


사진: 체셔고양이의 뜻은 영국 체셔지방의 고양이를 말한다. 특히 웃고 있는 입모양이 특이해서 많이 인용되고 있다. [이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이](사진: 체셔고양이의 뜻은 영국 체셔지방의 고양이를 말한다. 특히 웃고 있는 입모양이 특이해서 많이 인용되고 있다. [이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이] / ⓒ tookapic)


체셔고양이 과학이론은 2001년부터 양자역학을 설명하기 위해 나온 비유인데, 사실 체셔고양이는 동화인 이상한 나라의 앨리스에 등장합니다. 앨리스가 가는 곳마다 갑자기 나타났다가 사라지는데, 몸통이 희미해지며 사라진 후에도 웃고 있는 입모양은 한참이나 남아 있는 이상한 고양이입니다. 

양자역학을 설명하고 싶은 물리학자들은 체셔고양이의 성질만 남는 장면에 21세기 양자물리학의 새로운 과학이론을 덧붙였습니다. 


사진: 입모양만 남기고 사라지는 체셔고양이. 양자역학에서 성질과 물질이 분리되는 현상을 설명하는 개념이다. [이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이](사진: 입모양만 남기고 사라지는 체셔고양이. 양자역학에서 성질과 물질이 분리되는 현상을 설명하는 개념이다. [이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이] / ⓒ www.kiss7.kr 편집)


사실 이상한 나라의 앨리스를 쓴 루이스 캐럴(Lewis Carroll)은 수학자였습니다. 수학의 재밌는 현상을 발견하는 '유희수학'을 했으며, 이상한 나라의 앨리스에도 체셔고양이 뿐만 아니라 곳곳에 알송달송한 수학적 은유들을 숨겨 놓은 것으로 평가받고 있습니다. 

이상한 나라의 앨리스에는 황당한 줄거리 전개와 묘사가 나옵니다. 양자역학이라는 황당한 학문을 설명하기에는 너무나 알맞은 동화인 것입니다. 


사진: 새로 개봉한 영화 이상한 나라의 앨리스의 한 장면. 2010년 개봉했다. 팀 버튼 감독이 3D로 만들었다. [이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이] (사진: 새로 개봉한 영화 이상한 나라의 앨리스의 한 장면. 2010년 개봉했다. 팀 버튼 감독이 3D로 만들었다. [이상한 나라의 앨리스와 체셔고양이] / ⓒ 영화 이상한 나라의 앨리스)


그런데 왜 하필 체셔고양이라고 하게 되었을까요? 사실, 그 이유는 잘 모릅니다. 그저 일반적으로는 영국인인 루이스 캐럴이 영국의 체셔지방의 이름을 사용한 것으로 보고 있긴 합니다. 

그런데, 어떤 의견에서는 이미 당시에 체셔고양이라는 관용적 표현이 유행하고 있었다고도 합니다. 체셔지방은 치즈로 유명한데, 이곳에서 나온 고양이 모양의 치즈에서 입부분만 남기고 먹는 습관 때문에 체셔고양이란 말이 생겼다는 주장도 있습니다. 





양자역학의 체셔고양이


흔히 사람들은 치즈의 모양을 한 가지로 생각합니다. 그런데 치즈를 먹고 나서 고양이 입모양 같은 부분만 남긴 치즈를 상상해 봅시다. 분명히 치즈의 성질이 있지만, 우리가 생각하는 치즈모양은 아닙니다. 이것이 체셔고양이가 비유되는 이유입니다. 

이상한 나라의 앨리스에서 웃는 입모양만 남기고 사라지는 고양이는, 분명히 고양이의 성질이 남아있기는 하지만 고양이는 아닙니다. 즉 고양이에게서 떨어져 나온 "성질"일 뿐입니다. 


사진: 체셔고양이가 웃음과 몸이 분리된 채로 다른 경로에 존재했다가 다시 합쳐지는 현상을 표현한 그림. 웃음이란 성질만 분리되는 것을 상징한다. [양자역학의 체셔고양이](사진: 체셔고양이가 웃음과 몸이 분리된 채로 다른 경로에 존재했다가 다시 합쳐지는 현상을 표현한 그림. 웃음이란 성질만 분리되는 것을 상징한다. [양자역학의 체셔고양이] / ⓒ www.kiss7.kr)


양자역학은 생각했습니다. 다른 두 개의 장소에서, 한쪽에는 진짜 입자가, 또 한쪽에는 그 입자의 성질만 남아서 서로 영향을 주는 현상을 어떻게 받아들여야 하는가 입니다. 웃는 입모양과 실제 고양이는 다른 위치에 존재하지만, 사실은 하나일 뿐인 이상한 나라의 앨리스의 체셔고양이의 상황이 실제로 원자세계에 존재합니다. 

이것이 실제로 존재한다고 가설을 세우자 다른 현상을 증명하기에 효과적이었습니다. 그 원인 자체를 설명할 수는 없어도 다른 문제를 풀 수 있는 열쇠가 되었습니다. 


사진: 이상한 나라의 앨리스에서 비유되는 체셔고양이의 성질 분리 현상을 실험으로 증명하는데 성공한 프랑스 라우에 랑주뱅 연구소의 모습. [양자역학의 체셔고양이](사진: 이상한 나라의 앨리스에서 비유되는 체셔고양이의 성질 분리 현상을 실험으로 증명하는데 성공한 프랑스 라우에 랑주뱅 연구소의 모습. [양자역학의 체셔고양이] / ⓒ sciencemag.org)


이상한 나라의 앨리스에 나오는 체셔고양이 비유는 사람을 따라 다니는 그림자를 따로 분리해서 생각하는 것과 같습니다. 일반적으로 생각하기에는 정말 황당한 이론입니다. 

그런데 최근 이 가설이 사실로 증명되었습니다. 프랑스의 '라우에-랑주뱅 연구소'에서 진행된 "중성자 간섭법"연구가 성공한 것입니다. 이를 통해 하나의 입자에서 그 성질을 분리하여 두 개의 경로로 존재하는 현상을 증명해 냈습니다. 

[저작권법 표시] 이 글의 원본: 키스세븐(www.kiss7.kr)


사진: 이상한 나라의 앨리스는 상상력을 불러 일으키는 동화가 되어 물리학의 과학이론에서도 나름의 역할을 하였다. 작가인 루이스 캐럴은 수학자였다. [양자역학의 체셔고양이](사진: 이상한 나라의 앨리스는 상상력을 불러 일으키는 동화가 되어 물리학의 과학이론에서도 나름의 역할을 하였다. 작가인 루이스 캐럴은 수학자였다. [양자역학의 체셔고양이] / ⓒ Aline Dassel)


현재는 양자역학인지 뭔지가 왜 중요한 건지 이해하지 못할 수도 있지만, 실제로 반도체의 발달은 양자역학의 도움을 받고 있으며 21세기 안에 실질적인 활용을 할 수 있을 것으로 보고 있습니다. 원자 세계부터 광활한 우주세계까지 앞으로의 연구에 직접 활용될 것이며, 어쩌면 우리 후손은 초등학교 때부터 기본 지식으로 배우게 될지도 모르는 학문입니다. 

아이들이나 읽을 것 같은 이상한 나라의 앨리스라는 동화는 체셔고양이를 통해 과학이론의 상상력을 발전시키는 역할을 한 것입니다. 



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