다음과 같은 실험을 상상해 보자.

고양이 한 마리가  

외부 세계와 완전히 차단된 상자 안에 갇혀있다.

상자 안에는 방사선을 검출할 수 있는 가이거 계수관과 미량의 방사성원소가 들어 있다.

방사능 붕괴는 순수한 양자적 사건이므로  

언제 붕괴될지 미리 예측할 방법은 없다

방사성 원소의 양은 아주 적어서 

한 시간에 한 개의 원자가 붕괴할 확률과 한 개도 붕괴하지 않을 확률은 각각 50%이다.

만약  방사성 원소가 붕괴되면  

가이거 계수관이 이를 감지하면서 계수관과 연결된 망치가

독가스가 들어있는 병을 깨트려서 고양이를 죽일 수 있는 장치가  설치되어 있다.

이 상자를 한 시간 후에 관측한 결과 고양이의 상태는 어떻게 되었을까?

양자 물리학에 대한 코펜하겐 해석에 반대한  

아인슈타인과 슈뢰딩거는 1935년에  중요한 사고 실험 두 가지를 제안했는데   

그 중의 하나가 EPR 역설이라고 부르는 것이었고,

다른 하나는 슈뢰딩거의 이름으로 제안된 슈뢰딩거의 고양이였다.

코펜하겐 해석에  의하면,   

미시적인 세계에서  일어나는 사건은 그 사건이 관측되기 전까지는

확률로밖에 계산할 수가 없으며 서로 다른 상태가 중첩되어 있다고 말한다.

에르빈 슈뢰딩거 (Ervin Schr?dinger, 1887~1961)는  

오스트리아의 물리학자로  슈뢰딩거 방정식을  제안하여   

양자 물리학을 완성하는데 크게 기여하였으나,

그의 방정식이 확률함수로 정의된  코펜하겐 해석을 반대하면서

양자 물리학의  불완전함을  보이기 위해서 자신이 고안한 사고 실험을  제안한다.

방사성 원소는 미시세계의 것이고 양자역학으로 서술된다.

그것이 거시세계의 고양이를 죽이느냐 살리느냐의 기로에 놓여 있는 것이다.

슈뢰딩거는 '죽어있는 동시에 살아 있는 고양이' 는 존재하지 않으므로

양자역학이 불완전하며 현실적이지 않다고 생각했다.

고양이는 반드시 살아있거나 죽은 상태여야 하기 때문에  

방사성 원소 역시 붕괴했거나 붕괴하지 않았거나 둘 중 하나라는 것이다.

우리의 직관(直觀)은   

어떤  관측자도 여러 가지 상태가  

중첩되어  있을 수 없다는 것을 명확하게  알고 있다.    

그러면서도 사고실험 속의 고양이는  

여러 가지 상태의 중첩으로 나타난다고 주장하는 것은 명백한 오류라는 것이다.

전통적으로 자연을 탐구하는 과학자는   

연구대상과 가능한 한 먼거리를 유지하면서

객관적인 관점을 유지하기 위해 노력해야 한다.

그러나 양자역학의 등장과 함께  

관측자와  관측행위를 분리하기가 불가능하다는 것을 과학자들은 처음으로 인식하게 되었다.

슈뢰딩거의 고양이 실험은  

최근까지도 많은 논쟁을 야기하였으며 동시에 

이것을 해결하기 위한 다양한 해석들이 나오게 되면서 사상계에도 지대한 영향을 미쳤다.

몇 가지 중요한 해석들을 정리하면 다음과 같다.

결정론적 해석

결정론은 실재론자들로서   

한 시간 후의 일은 어떻게든 결정되어 있으며

그것은 관측과 무관하게 고양이는 죽었거나 살아있다.

코펜하겐 해석

고양이의 상태를 나타내는 파동함수는  

살아있는 상태를 나타내는 파동함수와

죽어있는 상태를 나타내는 파동함수의 중첩으로 나타난다.

다시 말해 고양이는 죽어 있는 상태와 살아있는 상태가 중첩되어  있다는 것이다.

그러나 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간

고양이는 살아 있는 상태나 죽어 있는 상태 중 하나의 상태로 확정된다.

위그너의  친구

위그너 (Eugene Paul Wigner)는 외부세계를 탐구하다보면,

궁극적인 진리는 의식에  담겨 있다는  결론을 내릴 수밖에 없다고 주장한다.

즉  '의식이 존재를 결정한다'고 생각하는 것이다.

그러나 내가 무언가를 관측했을 때,

'나'의 상태를 결정하기 위해서는   

나의 상태를 나타내는 파동함수가 붕괴되어야 하고

그러기 위해서는 다른 누군가가 나를 관측해야 한다.

물리학자들은 ‘무언가를 관측하고 있는 나'를 관측하는 

또 다른 인물을 칭할 때‘위그너의 친구'라는 용어를 사용한다.

그러나 ‘위그너의 친구'는 ‘위그너의 친구의 친구'에 의해 관측될 수도 있고

이 사람은 또 ‘위그너의 친구의 친구의 친구'의 눈에 관측될 수도 있다.

그렇다면 이러한 관측의연결고리를  결정하는 '우주적 의식'이 따로 존재하는 것일까?

물리학에 의식이 개입되는 것을 꺼리는 물리학자들은

카메라는 의식이 없음에도 전자의 형태를 기록할 수 있으므로

파동함수는 의식이 개입되지 않아도 붕괴될 수 있다고 주장한다.

그러나 거기 카메라가 존재한다는사실을 확인하려면 다른 카메라로 그것을 관측해야하므로

인간이 아닌 카메라를 동원한다 해도 파동함수의 붕괴를 설명할 수는 없다.

결어긋남 (decoherence)

이 난해한  철학적 문제를  해결하는  수단으로  

독일의 물리학자  디터 제(Dieter Zeh)는 '결 어긋남'의 개념을 도입한다.

그는 먼저 ‘현실세계에서는 고양이와 주변 환경을 분리할 수 없다'는 점을 지적하였다.

고양이는 주변의 공기분자와 끊임없이 접촉하고 있으며,   

이러한 고양이와 주변 환경의 상호작용은 그 강도가  아무리 작다 해도 파동함수에 근본적인 변형을 일으킨다.

고양이에게 극히 미세한 영향이 미쳐도 파동함수는 살아 있는 고양이와 죽은 고양이로 갈라지며,

두 개의 파동함수는 더 이상 상호작용을 하지 않는다.

살아있는 고양이와 죽은 고양이가 공존하려면

산 고양이의  파동함수와  죽은 고양이의  파동함수가   

거의 동일한 모드로 진동하고 있어야 한다,

즉, 두 개의 파동함수가 ‘결맞음coherence 상태'에 있어야 한다는 것이다.

그러나 현실세계에서 모든 물체는 주변 환경과 상호작용을 하고 있으므로

두 개의 파동함수는 더 이상 결맞음 상태를 유지하지 못하고 결어긋남 상태로  변환된다.

즉 상자의 뚜껑을 열기 전에도 고양이는 공기입자와 상호작용을 하고 있으므로

이미 죽었거나, 혹은 살아 있거나 둘 중 하나라는 것이다.

다중세계 해석 (many world interpretation)

결어긋남을 도입하면 양자역학에  의식을  도입할 필요가  없어지지만,

두 개의 파동함수 중 어떤 것이 선택될지는 여전히  미지수로 남는다.

일찍이 1957년에 휴 에버렛(Hugh Everett III)은  

이른바 상대 상태 해석을 제안했고, 이는 드 위트(B. de Witt) 등에 의해 다중세계 해석으로 발전하였다.

에버렛은 죽은 고양이와 살아 있는 고양이가  

서로 다른 우주에 동시에 존재한다는 가설을 도입하여 선택과  관련된 문제를 우회적으로 해결하였다.

에버렛에 의하면  

상자의 뚜껑을 여는 순간에 우주는 두 갈래로 갈라져서 진행된다.

이들 중 하나의 우주에서 고양이는 살아 있고, 다른 우주의 고양이는 죽은 채로 존재한다.

고양이뿐만 아니라,  

임의의 관측이 행해질 때마다 양자적 분기점이 형성되면서 우주는 끊임없이 갈라지고 있다.

다중세계해석의 장점은 파동함수의 붕괴를 도입할 필요가 없다는 것이다.

다중우주에서 파동함수는 붕괴되는 것이 아니라

여러 개의 파동함수로 분리되면서 영원히 계속된다고 한다.

미래는 예견될 수 있는가?

물리학에서 혁명적인 시대인 20세기 초에  이룩한  

상대성이론과  양자 물리학은 사상적으로도  큰 영향을 끼쳤다.

아이작 뉴턴에게 우주는 태초에 신이 태엽을 감아놓은  거대한 시계였다.

그 후로 우주는 서서히 태엽이 풀리면서 주어진 법칙에 따라  

예측 가능한 방향으로 꾸준하게 진화해왔다고 생각했다.

이런 뉴턴의 영향을 받아  

피에르 시몽 라플라스는 결정론적 세계관을 주장하게 된다.

"우주에 있는 모든 원자의 정확한 위치와 운동량을 알고 있는 존재가 있다면,

이것은 뉴턴의 운동 법칙을 이용해서 우주의 과거와 현재의 모든 현상을 설명해주고,

미래까지 예측할 수 있을 것이다.”   -라플라스의 악마

아인슈타인에게  있어

'자신의 운명은  스스로 개척한다'고  하는  

인간의 자유의지는  환상일 뿐이다.

그가   자연법칙에 확률을 끌어들인  양자역학을  끝까지 인정하지 않았던 이유도   여기에 기인한다.

아인슈타인은 우리가 만질 수 있는 물체들이  

현실적으로 존재한다는 상식적인 관념을 '객관적 진실' 이라고  부르면서,   

진리에 대한 자신의 관점을 다음과 같이  피력했다.

"나는  결정론을 주장하는 사람이지만  자유의지가 있는 것처럼 행동하고 있다.

문명화된 세상에서 살아가려면 자신의 행동에 책임을 져야 하기 때문이다.

철학적인 관점에서 볼 때 사람을 죽인 범죄자는 자신의 죄에 책임이 없다고 하지만,

그런 사람과  마주앉아 차를 마시고 싶지는 않다.

중략.... 인간과 식물, 우주의 먼지 등 모든 만물은 

보이지 않는 존재의 지휘에 맞춰 신비한 시간의 흐름을 따라 춤을 추고 있는 것이다."

뉴턴의 영향을 받은 칸트 역시 

현상의 세계는 인과관계에 의해 지배된다는 결정론을 인정하였다

그러나 실천이성비판에서 칸트는 자유의지에 대해서 제한된 견해를 보인다

인간 개개인이 갖는 욕망이나 의지는

'보편적인 입법원리'가 될 수 있는 한에서만 받아들여지고,

그렇지 않은 것은 모두 자율성과 자존을 위해 억제되고 통제되어야 한다.

즉 인간의 모든 선택적 행위가 자유로운 것이 아니라  오직 도덕적 결단의 행위만이 자유로운 행위이고,

또 도덕적 행위의 영역에  있어서만 인간은 자유의지를 갖는다고 한다.

19세기까지만 해도 과학자들뿐만 아니라 철학자들도

윤리적인 측면에서 자유의지가 필요하다는 것은 인정하지만,   

이것을 지지할 과학적 근거는 없다고 주장했다.

이처럼 결정론자들이  

인간의 자유의지를 부정한다면

인간의 자유의지로 행해지는 선한 행동과 악한 행동도 존재하지 않기 때문에

도덕적 비난은  처음부터 불가능하게 되며 선악의 개념도 자연주의적인 방식으로 이해해야 한다.

20세기에 접어들면서 양자역학의 등장과 함께

최근의 카오스chaos 이론과 프랙탈(fractal),

그리고 복잡하고 예측하기 힘든 비선형(非線形 nonlinear)운동 등

결정론적 세계관으로 자연을 해석하기에는 해결해야할 과제가 많음을 보여주었다.

만델강  

프랙탈이란 작은 구조가 

전체 구조와  비슷한 형태로 끝없이 되풀이 되는 구조를 말한다.

즉, 프랙탈은 부분과 전체가  

똑같은 모양을 하고 있다는 '자기 유사성' 개념을 기하학적으로 푼 것으로,

  프랙탈은  단순한 구조가 

끊임없이  반복되면서 복잡하고 묘한 전체 구조를  만드는 것이다.

나뭇가지 모양, 창문에 낀 성애와  산맥의 모습도 

다 프랙탈이며  우주의 모든 것이 결국은 프랙탈 구조로 되어있다.

     비선형 패턴의 예 

비선형은 그 구성요소의 합이나 곱 등      

선형 결합으로 설명할 수 없는 것으로 아무리 많은 정보를 알고 있어도 정확한 예측은 불가능하다.

비선형 과학의 가장 큰 발견은

철학자 들뢰즈의 '차이 와 반복' 에서 잘 보여지듯이

매우 복잡한 계(界)의 현상 조차도 간단한 알고리즘의 반복에 의해 복잡성이 생긴다 라는 것이다.

사실 이러한 반복에 의한 성질에 의해서

chaos 즉 혼돈 상태라는 계(界) 조차도  

우리가 흔히 생각하는 질서 잡힌 체계와는 다른 방식의 질서계로 인식 된다.