3'50" 읽기
- 100년 전 아인슈타인, 상대성 이론 설명 위해 사고 실험 "쌍둥이 역설" 사용
- 기원전 5세기 고대 그리스 철학자 엘레아의 제노(Zeno), "아킬레스 거북이" 설명
- 슈뢰딩서 사고 실험 "양자 고양이"
- 유추는 과학의 중요한 도구

사고 실험(Gedankenexperimente)
우주의 쌍둥이, 거북이와 아킬레스건의 경쟁, 슈뢰딩거의 고양이:

수천 년 동안 과학자와 철학자는 추상적 개념을 설명하거나 열린 질문을 명확하게 하기 위해 사고 실험을 사용해 왔다. 오늘날까지 그러한 유추는 과학의 중요한 도구다. 

▲ 머리 속의 세계: 사고 실험은 과학의 중요한 도구다. © Metamorworks / 게티 이미지

사고 실험이란 무엇인가? “쌍둥이 우주인과 고대 거북이”

쌍둥이와 거의 빛만큼 빠르게 이동하는 우주선.
쌍둥이 중 한 명은 자신의 우주선을 타고 엄청난 속도로 은하계를 여행하고 다른 한 명은 지구의 집에 있다. 우주 여행자가 오랜만에 돌아왔을 때 지구에 있는 그의 쌍둥이 형제가 자신보다 한 살 더 많다는 사실에 놀랐다.

실제 현상에 대한 유추

물론 이것은 실제 사건이 아니다. 독일 율리히 연구센터(Forschungszentrum Jülich)의 신경과학 및 의학 연구소(INM)의 베르트 하인리히스(Bert Heinrichs)는 "소위 쌍둥이 역설은 사고 실험이다"라고 설명했다. 이것은 100년 전에 알버트 아인슈타인이 생각한 것인데, 그는 상대성 이론의 결과를 - 아주 실제적인 - 명확하게 보여주기 위해 이 사고 실험을 사용했다. 빛 속도의 절대성에 따라 가속도와 중력에 의해 시간이 늘어날 수 있다는 내용이다. 그의 상대성 이론에서 입증된 – 아주 실제적인 – 결과를 생생하게 설명한다.

쌍둥이 역설에 설명된 시간의 연장은 그 이후로 처음으로 비행기에서 시간을 측정함으로써 실험적으로 계속해서 입증됐다. 고정밀 원자시계는 이제 이러한 효과를 1초의 아주 작은 부분까지 측정할 수 있다. GPS 위성에 탑재된 원자시계도 시간 팽창의 영향을 받기 때문에 이 원칙을 고려하지 않으면 위성 항법이 제대로 작동하지 않는다.

고대부터 사고 도움

Bert Heinrichs는 사고 실험으로 끊임없이 바쁘다. 그는 "신경과학의 윤리학" 분야에서 자연과학의 윤리적 문제를 조사하는 총 7명 중 한 명인 철학자이다. "사고 실험은 사물의 본질을 새로운 각도에서 볼 수 있도록 도와주는 상상력이 풍부한 도구다"라고 그는 말했다.

“물리적, 기술적, 재정적 또는 윤리적 이유로 실제 실험이 불가능하기 때문에 대부분 사고 실험이 수행된다. 때때로 사고 실험은 매우 추상적인 개념을 설명해서 이해 과정에 기여한다”라고 Heinrichs는 설명했다. "그것은 고대부터 철학뿐만 아니라 경제학, 역사, 수학, 자연과학, 특히 물리학의 모든 영역에서 존재해 왔다.“

아킬레우스와 거북이

고대에 대한 가장 잘 알려진 사고 실험 중 하나는 기원전 5세기에 설명했던 고대 그리스 철학자 엘레아의 제논(Zenon)에서 나온 것이다. 그 이후로 여러 세대의 사상가들을 어리둥절하게 만들었다. 이야기는 다음과 같다. 고대에서 가장 빠른 주자 아킬레스는 거북이에게 경주에 도전한다. 자신의 승리를 확신한 그는 거북이에게 먼저 출발하도록 한다. 레이스가 시작되고 둘 다 달리기 시작한다.

그러나 아킬레스가 거북이의 출발점에 도달했을 때 거북이는 이미 더 먼 거리를 이동했다. 따라서 아킬레우스는 거북이를 따라잡기 전에 이 부분을 극복해야 한다. 그가 성공하면 거북이는 차례로 – 더 작은 – 이점을 얻었다. 거북이의 리드는 점점 작아지지만 항상 리드로 남아 있다. 아킬레우스는 거북이를 절대 따라잡을 수 없다. 분명히 아마추어 주자는 거북이를 쉽게 따라 잡을 수 있지만 Zeno의 논리적 추론은 그렇게 쉽게 흔들리지 않는다. 어디가 잘못되었나?

양자 물리학의 역설 "슈뢰딩거의 고양이와 EPR의 역설"

양자 물리학 또한 사고 실험이 프로세스를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다는 것을 보여준다. 사물은 일상생활에서 우리가 아는 방식으로 그곳에서 행동하지 않기 때문이다. 그들은 유형적이고 안정적인 상태를 가정하지 않고 확률의 법칙을 따른다.

▲ Erwin Schrödinger, 1933년 폴 디락과 노벨물리학상을 수상했다.

“예를 들어 붕괴의 관점에서 원자는 소위 상태 중첩 상태에 있다. 우리가 관찰하지 않는 한 붕괴된 동시에 붕괴되지는 않았다"라고 Jülich Supercomputing Center(JSC)의 Kristel Michielsen이 설명한다. "죽음과 동시에 살아 있을 수 있는 슈뢰딩거의 고양이에 대한 유명한 사고 실험도 마찬가지다."

슈뢰딩거의 고양이: 죽은 동시에 살아 있는 고양이

세계적으로 유명한 이 1935년 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거의 사고 실험에서 고양이는 상자에 담겨 있다. 소량의 방사성 물질, 탐지기 및 독약 병도 있다. 상자는 잠겨 있다. 물질의 단일 원자라도 분해되면 탐지기가 작동해 자동으로 독을 방출한다. 고양이는 죽는다. 그러나 원자가 붕괴되지 않을 수도 있다. 이 경우 고양이는 살아 있다.

상자 안을 들여다보지 않는 한 고양이의 상태는 알 수 없다. 고양이는 살아 있는 동시에 죽은 상태다. 물론 고양이는 죽으면서 동시에 살아 있을 수 없다. 그러나 양자역학의 법칙에 따르면 관찰되지 않은 원자는 동시에 두 가지 상태에 있을 수 있다. 과학자들은 이미 광자, 전자 및 분자에 대한 이러한 중첩 상태를 입증했다. 모바일 버전과 동시에 두 개의 상자에 들어가는 "양자 고양이"가 이미 구현되었다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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