2-2. 중첩 — 관측하기 전에는 여러 상태에 동시에 있다

앞에서 우리는 하이젠베르크의 불확정성 원리를 배웠어. 입자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 아는 것은 자연이 허락하지 않는다는 놀라운 규칙이었지. 그런데 사실 이것은 양자역학 이상함의 시작에 불과해. 이번에 만날 이야기는 훨씬 더 기묘하거든. 입자가 "여기에도 있고 저기에도 있다"? 동시에 두 가지 상태에 있다? 도대체 이게 무슨 뜻일까?

동전은 앞면일까, 뒷면일까?

동전 하나를 손바닥 위에 올려놓고 손으로 덮었다고 상상해봐. 아직 손을 들어서 확인하지 않은 상태야.

자, 질문. 지금 동전은 앞면이야, 뒷면이야?

"글쎄, 아직 안 봤으니까 모르지. 하지만 둘 중 하나인 건 확실하잖아. 앞면이거나 뒷면이거나."

이렇게 대답했다면, 아주 당연하고 상식적인 생각이야. 우리가 사는 일상의 세계에서는 이게 맞아. 동전은 우리가 보든 안 보든, 이미 앞면이거나 뒷면이야. 우리가 모를 뿐이지.

그런데 양자역학의 세계에서는 이 "당연한" 상식이 완전히 무너져.

양자역학에 의하면, 전자 같은 아주 작은 입자는 관측하기 전에 앞면이거나 뒷면인 게 아니야. 놀랍게도 앞면이면서 동시에 뒷면인 상태에 있어! 앞면도 아니고 뒷면도 아닌, 둘이 겹쳐 있는 상태야. 그러다가 누군가가 손을 들어서 확인하는 순간 — 바로 그 순간에! — 비로소 앞면 또는 뒷면으로 결정돼.

이것이 바로 양자역학의 중첩(重疊, 영문: superposition)이야.

"정말? 보기 전에는 상태가 정해져 있지 않다고?" 정말이야. 이것은 비유가 아니야. 수많은 실험이 이것을 증명했어. 양자역학의 세계에서는 **"관측하기 전에는 상태가 결정되어 있지 않다"**가 진짜 자연의 규칙이야.