#고양이 한 마리가 철로 만들어진 상자 안에 갇혀 있다. 상자 안에는 고양이와 함께 방사성물질이 들어 있는 가이거 계수기, 계수기와 연결된 망치, 독가스가 들어 있는 유리병이 있다. 방사성물질의 원소 한 개가 한 시간 안에 붕괴할 확률은 50%다. 방사성 원소가 한 개라도 붕괴할 경우 망치는 떨어져 유리병을 깨뜨리게 되고 독가스가 방출되면서 고양이는 죽는다. 그렇다면 이제 한 시간 뒤 상자 속 고양이는 죽어 있을까, 살아 있을까.

정답은 ‘상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 섞여 있다’이다. 일반적인 사고로는 도저히 이해가 되지 않는 이 사고실험은 여전히 대학의 물리학과, 화학과 학생들을 ‘멘붕’에 빠뜨리고 있는 양자역학의 ‘슈뢰딩거 고양이’의 역설이다. 세계적인 물리학자인 스티븐 호킹마저도 ‘누군가 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 한다면 난 조용히 총을 꺼낼 것’이라고 할 정도다.양자역학의 확률론적 해석에 대해 가장 잘 표현한 이 사고실험을 만들어 낸 사람이 바로 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)다. 오는 12일은 슈뢰딩거가 태어난 지 130년이 되는 날로 과학계에서는 그의 업적을 되돌아보는 활동이 활발하다.

20세기 물리학 업적의 양대 산맥은 상대성이론과 양자역학이다. 이 중 상대성이론은 아인슈타인이라는 천재 한 명이 만들어 낸 것이지만 양자역학은 여러 과학자의 다양한 업적이 모여 만들어진 것이다. 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론인 양자역학은 이론체계로 만들어지는 과정에서 ‘우리가 안다는 것은 무엇인가‘라는 문제를 제기해 인식론이라는 철학적 발전을 이끌어 내기도 했다.

슈뢰딩거는 1926년 양자역학에서 가장 중요한 수학식인 ‘슈뢰딩거 방정식’(파동방정식)을 발표함으로써 양자역학의 체계를 완성했다는 평가를 받고 있다. 1933년 노벨상 위원회는 슈뢰딩거가 만든 파동방정식이 양자역학의 핵심적인 업적이라는 사실을 인정해 그를 노벨물리학상 수상자로 선정했다.실제로 슈뢰딩거 방정식은 원자, 핵, 고체물리 분야에서 널리 사용되고 있다. 원자현미경의 작동 원리인 ‘터널링 현상’을 풀 때는 물론 원자력 발전이나 핵폭탄처럼 원자핵 붕괴로 에너지를 얻는 모든 분야에서는 슈뢰딩거 방정식을 빼고는 생각할 수 없다는 것이다. 이 때문에 “고전역학(뉴턴역학)에 운동방정식이 있다면 양자역학에는 슈뢰딩거 방정식이 있다”는 평가를 받고 있다.

물리학뿐만 아니라 생물학 분야에도 관심이 많았던 슈뢰딩거는 제2차 세계대전 중 독일 나치를 피해 아일랜드 더블린에서 거주하는 동안 ‘생명이란 무엇인가?’라는 책을 냈다. 생명체의 유전정보를 가지고 있는 복잡한 분자에 대한 그의 생각을 풀어낸 것으로 유전자(DNA) 발견과 분자생물학의 탄생에 기여했다고 알려져 있다. 실제로 DNA 분자구조를 밝혀내 노벨생리의학상을 받은 제임스 왓슨과 프란시스 크릭이 이 책 때문에 DNA 연구를 시작했다고 회고록에 밝히기도 했다.

슈뢰딩거가 완성한 양자역학은 우리 삶과 어떤 관계가 있을까.

남순건 경희대 물리학과 교수는 “반도체가 없는 세상을 생각해 보면 양자역학이 실제로 우리 생활과 얼마나 밀접한 관계를 갖고 있는가를 알 수 있다”며 “양자역학이 없었다면 반도체, 컴퓨터는 물론 스마트폰이 존재할 수 없고 레이저, 엘리베이터 출입문 개폐장치, 최근 활발히 연구되는 양자컴퓨터는 그저 SF소설에서나 보게 됐을 것”이라고 설명했다.

양자역학은 20세기 초반 과학기술의 혁명으로 시작돼 물리학의 핵심 기둥이 됐지만 지금도 계속 진화하고 있다. 양자역학을 통해 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘이 밝혀졌고 나노기술, 양자계산 등 새로운 방향으로 발전해 나가고 있다. 이론적으로도 양자역학과 특수 상대성이론을 결합한 양자장론(quantum field theory, QFT)은 물론 양자전기역학 등 새로운 이론이 계속 만들어지고 있다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr