Day: December 18, 2009

Posted on

Large Intestine 큰창자 스토리(2)

The large intestine (or large bowel) is the part of the digestive system where waste products from the food you eat are collected and processed into faeces.

The large intestine is about 1.5 m long and consists of the caecum, appendix, colon and rectum – which are distributed in the abdominal cavity.

What does it do?

  • The large intestine performs the following functions:
  • reabsorbs water and maintains the fluid balance of the body
  • absorbs certain vitamins
  • processes undigested material (fibre)
  • stores waste before it is eliminated.

…………………………………………………………………………..


위를 지나 작은창자에서 소화된 음식은 잘게 쪼개져 창자 벽을 통해 흡수가 된다. 길고 긴 작은창자를 지나면서 몸에서 필요로 하는 영양소의 대부분이 흡수되고 나면 남은 찌꺼기는 큰창자로 들어간다.

큰 창자는 흔히 물을 흡수한다고 알려져 있으나 그 외에도 여러 기능을 하며, 이러한 기능은 큰창자 내에 존재하는 세균(대장균)과 깊은 관계가 있다. 큰창자에 사는 세균들이 일부의 노폐물이나 독소를 우리 몸에 필요한 물질로 바꿔주면 큰창자가 이를 흡수하는 것이다. 사람의 몸에 전혀 쓸모 없는 물질을 유용한 물질로 바꾸고, 이를 흡수하여 재활용하게 하니 큰창자와 그 속에 사는 세균은 참으로 고마운 존재이기도 하다.

…………………………………………………………………………..


큰창자는 작은창자(Small intestine)가 끝나는 지점부터 항문(Anus)까지를 가리킨다. 6미터에 이르는 작은창자 길이의 1/4에 불과한 약 1.5미터 정도지만 폭이 약 7.5cm이므로 작은창자보다 두 배 이상 굵다.

…………………………………………………………………………..

1. 큰 창자의 첫 번째 기능 : 물의 흡수

인체는 필요로 하는 영양소를 얻기 위해 음식물을 소화시킨 다음 몸 안으로 흡수하는데, 이때 가장 큰 역할을 하는 것은 작은창자다. 음식물은 입에서부터 식도와 위를 지나 작은창자에 이르면 이자에서 분비된 소화효소와 작은창자의 기계적인 운동, 간에서 분비된쓸개즙염에 의해 산산조각이 난다. 그리고는 길고도 긴 작은창자의 통로를 지나가면서 사람에게 필요한 것은 모두 몸 속으로 들어가게 된다. 작은창자를 통과하여 큰창자로 들어갈 때쯤에는 미처 흡수되지 못한 영양소가 일부 포함되긴 하지만 영양가 없는 찌꺼기가 주로 남는다.

이들 찌꺼기들이 몸 밖으로 나가기 위해 창자를 통과해 갈 때 그 흐름을 쉽게 하기 위한 물이 포함되어 있을 뿐이다. 그런데 물은 인체를 구성하는 가장 많은 성분이므로 함부로 몸 밖으로 내보낼 수가 없다. 큰창자는 찌꺼기가 배출되는 통로 역할을 하면서 동시에 마지막까지 남아 있는 물을 흡수하는 기능을 한다.

…………………………………………………………………………..


2. 큰 창자의 두 번째 기능 : 대장균에 의한 비타민 생산과 흡수

흔히 큰창자는 물을 흡수하는 것 외에 별다른 기능이 없는 것으로 알려져 있지만 큰창자가 물만 흡수하는 것은 아니다. 하루에 작은창자에서 큰창자로 들어오는 물질이 약 1,500ml이고, 이중 약 3/4(1,125ml)이 물이며, 대변으로 배출되는 양은 약 200ml이라 했으니 얼른 생각해도 계산에서 175ml가 비어 있음을 알 수 있다. 이 수치는 큰창자에서 흡수되는 비타민의 일부, 쓸개즙염, 빌리루빈(bilirubin) 등의 양을 가리키는 것이다.

인간의 몸이 진화를 통해 작은창자에서 모든 소화를 끝내고 필요한 영양소를 흡수하게 된 것은 자연의 섭리라고도 할 수 있는데 어째서 일부 비타민은 작은창자에서 흡수되지 못하고 큰창자에 이르러서야 몸 안으로 들어가는 것일까?

그것은 큰창자에서 흡수되는 비타민이 섭취한 음식에 포함된 것이 아니라 큰창자 안에 존재하는 세균에 의해 합성된 것이기 때문이다. 언제부터 큰창자에 세균(대장균)이 살게 되었는지는 확실치 않으나 유인원 이전부터 세균이 존재했을 것으로 추정된다. 큰창자에서 살기 시작한 세균이 대사를 하는 과정에서 사람의 몸에 쓸만한 것(비타민)을 만들게 되자 우리 몸은 그 물질을 흡수하는 식으로 진화해 왔을 것이다. 큰창자에서 흡수하는 비타민은 비타민 B5(판토텐산)와 바이오틴, 비타민 K가 전부다. 이 세 가지 비타민은 음식으로 섭취하지 않아도 구할 수 있으므로 결핍되어도 별 문제가 생기지 않는다.

글 예병일 / 연세대학교 원주의과대학 교수

Posted on

Large Intestine 큰창자 스토리(1)

큰창자는 물과 일부 비타민을 흡수하는 기능 외에 대변이 배출될 때까지 저장하는 기능을 한다. 영양소를 비롯하여 사람의 몸에서 필요로 하는 내용물은 소화기관을 거쳐 가면서 모두 흡수되었으니, 대변은 몸에 전혀 쓸모가 없는 노폐물로 취급된다. 전혀 쓸모가 없는 것이니 사람들은 진화 과정에서 대변을 기피하게 되었고, 그 결과 대변 냄새를 맡거나 모양을 보기만 해도 혐오감을 가지게 되었다.

그러나 대변은 인체의 건강과 밀접한 관계가 있다. 대변이 너무 빨리 몸 밖으로 빠져나가는 설사나 필요 이상으로 큰창자에 오래 머물고 있는 변비가 모두 몸에 뭔가 이상이 있음을 나타낼 수 있고, 색깔이나 모양이 평소와 다르게 변하는 현상도 건강이 잘 유지되지 못하고 있음을 가리킨다.

아무리 힘을 줘도 배출이 안 되는 경우, 변비(Constipation) 라고 한다. 대변이 제때 몸 밖으로 빠져나가지 않으면 큰창자에 머무는 시간이 길어지고, 체류시간이 길어지면 큰창자에서는 한 방울의 물이라도 더 흡수하므로 대변이 점점 딱딱하게 된다. 대변이 큰창자에 오래 머무는 현상을 변비라 하는데, 변비가 생기면 큰창자에 대변이 머무는 시간이 길어지며 물을 점점 더 많이 흡수하여 배변이 더욱 힘들어진다. 결국 변비는 그 자체로 변비를 더 심하게 하는 것이다.

흔히 하루에 한 번 화장실에 다녀오는 것이 좋다고 하지만 화장실에 얼마나 자주 가는 것이 정상인가에 대해서는 개인차가 크다. 며칠째 배변을 하지 못해 뱃속에 대변이 꽉 차서 배출 욕구가 있지만 아무리 힘을 줘도 배출이 안 되는 경우를 변비라 할 수 있다. 그러나 태어나서부터 줄곧 3일에 한 번씩 배변을 한 경우에는 3일간 배변을 하지 않았다 하더라도 변비라 하지는 않는다.

변비에서 배변 간격보다 더 중요한 것은 대변의 상태다. 만약 대변이 무른 상태로 쉽게 빠져나간다면 변비에 의한 이상이 발생할 가능성이 낮으므로 문제가 되지 않는다. 하지만 딱딱한 상태의 대변이 큰창자에 머물러 있게 되면 창자벽을 자극하게 된다.  딱딱한 덩어리가 창자 벽을 누르면 주변의 혈관이 눌리게 되고, 결과적으로 대변이 들어찬 부위 주변의 혈액순환이 나빠진다. 혈액이 제대로 순환되지 않으면 주변조직에서 필요로 하는 산소와 영양분을 적절히 공급할 수 없게 된다. 그러면 치핵으로 발전할 수도 있으므로 이를 예방하려면 변비를 빨리 해결해야 한다.

변비가 생기지 않도록 하려면 섬유질(Cellulose) 이 포함된 음식을 많이 섭취하면 된다. 섬유가 가늘고 긴 모양을 하고 있듯이 영양소나 몸의 구조를 이야기할 때 섬유라는 말이 나오면 분자구조가 가늘고 긴 모양을 하고 있다고 생각하면 된다. 섬유질은 주로 식물성 음식에 많이 들어 있다. 탄수화물이나 지방과 비교하면 포만감도 느끼지 못하고, 에너지원으로서의 역할도 하지 못하므로 먹어봐야 힘을 쓸 수는 없지만, 몸 속에 쌓여 있는 노폐물을 청소하는 기능을 한다. 큰창자에서 대변이 형성될 때 대변을 무르게 하여 변비가 생기지 않고 잘 빠져나가게 하는 것은 두말할 나위가 없다. 섬유질이 많이 포함된 음식으로는 채소, 과일, 버섯, 곡류, 해조류 등이 있으므로 우리나라의 전통적인 식습관은 변비가 생기지 않도록 잘 적응되어 있다고 할 수 있을 것이다. 최근에 서구식 식습관이 광범위하게 접목되면서 변비로 고생하는 분들이 늘고 있는 것도 음식의  섬유질 함량을 따져 보면 쉽게 이해가 갈 것이다.

큰창자에서 제대로 물이 흡수되지 못하면, 설사가 된다. 대변이 큰창자 내에 오래 머물러서 생기는 현상이 변비라면 설사는 대변이 작은창자에서부터 큰창자를 지나 항문으로 빠져나갈 때까지 너무 빨리 지나가는 현상을 가리킨다. 따라서 소화과정에 있는 음식이 몸에 흡수될 시간이 없음은 물론 큰창자에서 물을 흡수할 수도 없으므로 물이 많이 포함된 대변이 배출되는 것이다. 설사가 생기는 가장 큰 원인은 몸에 해로운 물질이 들어오는 것이다. 음식에 독소와 같이 몸에 해로운 물질이 포함되어 있다거나, 음식에 오염된 세균이 작은창자에 도달하여 몸에 해로운 물질을 생산하는 경우, 또 작은창자에 들어온 세균의 수가 많아서 이들이 창자 벽을 자극하는 경우 등이 설사의 원인이 된다.


흔히 수인성전염병이라 하여 오염된 물을 마실 때 사람의 몸 속으로 미생물 병원체가 침입하여 발생하는 콜레라와 이질은 물 같은 설사를 특징으로 한다. 이 때 빠져나가는 물의 양은 섭취한 양보다 더 많으므로 물을 보충해 주지 않으면 탈수증세가 일어날 수 있다. 자기의사를 확실히 표현하지 못하는 아기들이 설사를 심하게 하는 경우 물을 보충하지 않으면 피가 뻑뻑해져서 흐름이 원활하지 못할 수도 있으므로 신속한 조치가 필요하다.


대변(Faeces)의 색의 의미는?

정상적인 대변의 색깔은 무엇일까? 개인에 따라 조금 다르게 표현할 수는 있겠지만 일반적으로는 “누렇다”고 하는 경우가 대부분일 것이다. 정상적인 경우에도 색깔이 조금 더 짙어진다거나 더 밝아져 노란빛을 띨 수 있으며, 배변 후 자신의 대변을 보는 것만으로도 자신이 모르고 있는 질병이 몸 속에서 자라고 있는 것을 찾아낼 수 있는 경우가 있다. 대변색이 누런 것은 적혈구가 수명을 다하여 깨지면서 흘러나온 헤모글로빈이 대사되는 과정에서 생겨난 빌리루빈의 색이 노랗기 때문이다. 지난 글의 “창자간순환”에서 기술한 바와 같이 헤모글로빈이 깨지면서 분해된 헴이 대사되어 생겨나는 빌리루빈은 간으로 가서 처리되어야 하나 이중 일부가 간으로부터 창자로 흘러 들어와 대변색을 노랗게 한다. 참고로 얼굴이 노랗게 바뀌는 황달은 빌리루빈이 대사되지 못하고 온몸을 돌아다니다 얼굴에 축적되는 현상을 가리킨다.

……………………………………………………………………………………………..

큰창자 내의 대장균이 대변과 방귀 냄새의 원인이다

대변에서 냄새가 나는 것은 큰창자에 살고 있는 세균(주로 대장균) 때문이다. 이들 세균은 음식물에 포함된 단백질을 분해하면서인돌, 스카톨, 황화수소 등을 생산하며 이와 같은 물질이 대변냄새를 결정한다. 냄새가 독하다는 것은 대장균의 활동이 활발하다는 뜻이다. 단백질이 많이 포함된 음식을 먹으면 냄새를 풍길 재료가 많아지므로 초식동물보다는 육식동물이, 동양인보다는 서양인의 대변냄새가 더 강하다.

글 예병일 / 연세대학교 원주의과대학 교수

Posted on

온실가스 Greenhouse Gas Effect

The greenhouse effect is important. Without the greenhouse effect, the Earth would not be warm enough for humans to live. But if the greenhouse effect becomes stronger, it could make the Earth warmer than usual. Even a little extra warming may cause problems for humans, plants, and animals.

Have you ever seen a greenhouse? Most greenhouses look like a small glass house. Greenhouses are used to grow plants, especially in the winter. Greenhouses work by trapping heat from the sun. The glass panels of the greenhouse let in light but keep heat from escaping. This causes the greenhouse to heat up, much like the inside of a car parked in sunlight, and keeps the plants warm enough to live in the winter.
The Earth’s atmosphere is all around us. It is the air that we breathe. Greenhouse gases in the atmosphere behave much like the glass panes in a greenhouse. Sunlight enters the Earth’s atmosphere, passing through the blanket of greenhouse gases. As it reaches the Earth’s surface, land, water, and biosphere absorb the sunlight’s energy. Once absorbed, this energy is sent back into the atmosphere. Some of the energy passes back into space, but much of it remains trapped in the atmosphere by the greenhouse gases, causing our world to heat up.

The greenhouse effect is the rise in temperature that the Earth experiences because certain gases in the atmosphere(water vapor, carbon dioxide, nitrous oxide, and methane, for example) trap energy from the sun. Without these gases, heat would escape back into space and Earth’s average temperature would be about 60ºF colder. Because of how they warm our world, these gases are referred to as greenhouse gases.

…………………………………………………………..

Greenhouse gas와 effect의 관련된 문제들이 이슈가 되고있다. 얼마 전, 남극에서 부러진 빙하가 뉴질랜드를 지나갔다. 과학과목과 사회과목(Social Studies)에서 선생님들마다 Greenhouse gas에 대해서 수업을 했고 주변의 많은 학생들이 질문을 해왔다. 환경문제에 대한 개선책으로 국가들마다 좋을 해결책을 위해 과학자들을 닥달하고 있다. 앞으로는 모든 과학분야의 초점이 환경문제에 쏠릴거라는 예측도 있다. 생활의 편리함과 깨끗한 자연을 위해 과학의 기술이 발전되야만 한다는게 해결책인데.. 앞으로 얼마나 시간이 걸릴지와, 얼마의 시간이 우리에게 주어졌는지는 의문이다. ‘Naver’에 얼마전 업로드한 내용을 옮겨적어 본다.

…………………………………………………………..

2009년 12월에 덴마크 코펜하겐에서는 UN 기후변화회의 제15차 당사국 총회가 열린다. 이 회의에서는 2013년 이후 각국에서 실시할 온실 가스 감축 수준과 방식을 결정할 예정이다. 이보다 앞서 1997년에 일본 교토에서 열린 제3차 당사국 총회에서는 ‘기후변화에 관한 UN 규약의 교토 의정서(약칭 교토 의정서(Kyoto Protocol))’가 채택되었고, 2005년부터 발효되었다. 교토 의정서는 온실 효과를 보이는 6종의온실 가스의 배출량 감소 목표치를 정하고 있는데, 2008년~2012년 사이에 선진국의 전체 온실 가스 배출량을 1990년 대비 최소한 5.2%를 감축할 것을 목표로 하고 있다. 대한민국은 2002년에 이 조약을 비준하여, 온실 가스 배출량의 감축 의무를 지게 되었다.

온실 가스는 지구의 복사열인 적외선을 흡수하여, 지구로 다시 방출하는 기체를 말한다

온실 가스는 대기권에 존재하는 기체 중에서 지구의 복사열인 적외선을 흡수하여, 지구로 다시 방출하는 특성을 갖는 기체를 일컫는 말이다. 온실 효과를 보이는 주요 기체와 이의 대기 중 농도는 수증기(H2O: 약 1%), 이산화탄소(380 ppmv), 메탄(1.8 ppmv), 산화이질소(0.3 ppmv), 오존(O3: 0~0.7 ppmv) 등이다. 여기서 ppmv는 부피 백만분율을 나타낸다. 이들 기체 중 온실 효과에 대한 기여도는 수증기가 약 60%, 이산화탄소가 약 25%, 그리고 메탄이 약 7%로 알려져 있다. 이외에도 여러 플루오르 화합물 기체가 비록 농도는 낮지만 온실 효과에 기여한다. 이들 기체가 대기 중에 존재하지 않으면, 지구는 복사 냉각에 의해 지금보다 평균 온도가 대략 33 oC 낮아질 것으로 파악되고 있다. 따라서 온실 가스는 지구를 따뜻하게 유지해주는 역할을 한다. 대기 중에 온실 가스가 없으면, 밤과 낮의 온도 차이가 너무 커서 현재 존재하는 지구의 생물체 중 많은 수가 생존하기 어려워질 것이다. 그러나 이들의 과다 배출이 지구 온난화를 초래함으로써 빙하가 녹아 해수면이 상승하고, 생태계가 변하고, 각종 기후 이변을 가져다 주어 국제적 협약으로 이들의 배출량 감축을 추진하고 있다.

메탄과 플루오르 화합물의 배출도 지구 온난화에 크게 기여하고 있어, 교토 의정서에는 이들을 감축대상 온실 가스에 포함시켰다. 메탄은 이산화탄소보다 분자당 10배 이상 큰 온실 효과를 보인다. 산업혁명 이전에 비해 대기 중 메탄 농도는 150% 증가하였다. 가축의 방귀 및 축산 분뇨, 논, 쓰레기 매립장, 도시 가스의 누출 등이 주된 메탄 가스의 발생원이다. 염화 플루오르화 탄소화합물(CFC)은 냉장고, 에어컨 등의 냉매로 사용되어 왔다. 다른 여러 가지 플루오르 화합물 기체도 소화기나 스프레이 분사체 등의 산업 용도로 사용되어 왔다. 이들은 산업혁명 이전에는 없던 새로운 온실 가스이다.

왜 질소와 산소 기체는 온실 효과를 보이지 않는가?

지구 대기는 질소가 78.1%, 산소가 20.1%, 그리고 아르곤이 0.9%이다. 이들의 농도는 이산화탄소의 0.038%(380 ppmv)보다 월등히 높다. 하지만, 질소, 산소와 아르곤 기체는 적외선을 흡수하지 않아 온실 효과를 보이지 않는다. 이는 1850년대 말에 실험으로 증명되었으며, 20세기 초반에는 분광학적으로 설명되었다. 약 300K(27 oC)인 지구는 흑체 복사의 법칙에 따르면 복사광의 최대 세기의 파장이 약 10μm인 적외선을 방출한다. 따라서 온실 효과를 보이는 기체는 적외선을 흡수할 수 있어야 한다. 분자가 적외선을 흡수하면 진동에너지가 높아지게 되는데, 모든 분자가 적외선을 흡수하는 것은 아니다. 적외선을 흡수하여 진동에너지 상태가 변하기 위해서는 진동할 때 분자의 쌍극자 모멘트가 변해야 하는데, 질소와 산소는 같은 원자로 구성된 이원자 분자로 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변하지 않아 적외선을 흡수할 수 없다. 아르곤은 단원자 분자로 진동에너지가 없어 역시 적외선을 흡수하지 않는다. 반면에 이산화탄소와 메탄은 비록 쌍극자 모멘트가 없는 비극성 분자이나, 이들 분자의 진동 방식 중 일부에서는 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변하기 때문에 적외선을 흡수하고, 따라서 온실 효과를 나타낸다.

글 박준우 / 이화여대 화학‧나노과학과 교수

http://navercast.naver.com/science/chemistry/1635

Posted on

Schrödinger’s cat

Rangitoto College에 교생실습으로 있는동안 Department대항으로 먹을것을 만드는 행사가 있었다. 물리선생님들은 Schrodinger’s cat이라는 주제로 고양이밥을 박스밖에 설치하셨는데.. Schrodinger’s Cat이라니.. 처음들어보는 사람이름이었다.

Schrodinger’s cat이란, ‘박스에 고양이가 있기도 하고 없기도 하다’라는 파라독스란다. 도대체 무슨 말 이냐규?

그림으로 표현하자면.. 이런거다.

Schrödinger’s Cat: A cat, along with a flask containing a poison, is placed in a sealed box shielded against environmentally induced quantum decoherence. If an internal Geiger counter detects radiation, the flask is shattered, releasing the poison that kills the cat. The Copenhagen interpretation of quantum mechanics implies that after a while, the cat is simultaneously alive and dead. Yet, when we look in the box, we see the cat either alive or dead, not both alive and dead. (http://en.wikipedia.org/wiki/Schrödinger’s_cat)

물리학에서는 현재 상태를 물리법칙에 대입하여, 미래에 어떤 일이 일어날 것인지를 예측하려고 노력한다. 현재의 상태를 정확하게 알고 있고 자연 현상을 지배하는 물리법칙을 알고 있으며, 그 물리법칙을 나타내는 방정식을 풀어 해를 구할 수 있다면, 우리는 정확하게 미래에 어떤 일이 일어날 것인지를 예측할 수 있다고 생각한다. 뉴턴역학을 기초로 하고 있던 고전 역학에서 그것은 사실이었다. 많은 경우에 정확한 해를 구할 수 없어서 정확하게 미래를 예측하는데 어려움을 겪는 경우는 많았지만 정확한 해를 구하고도 미래를 예측하지 못하는 경우는 없었다. 그것은 자연에서는 역학 법칙에 위반되는 일은 일어나지 않는다는 것을 의미하며 자연에서 일어나는 모든 일들은 철저하게 인과법칙을 따른다는 것을 의미한다.

고전 물리학에서 통했던 인과법칙, 더 이상 양자 물리학에서는 통하지 않게 되었다

그러나 양자 물리학에서는 상황이 다르게 전개되었다. 초기조건을 현상을 설명하는 물리법칙인 슈뢰딩거 방정식에 대입하여 미래의 상태를 나타내는 해를 구해보면, 하나의 해가 존재하는 것이 아니라 여러 개의 해가 존재했던 것이다. 이것은 같은 상태에서 출발해서 같은 물리법칙의 지배를 받고도 다른 상태로 갈 수가 있다는 것을 뜻한다. 이것이 사실이라면 미래에 ‘어떤 일이 일어날 것인지를 예측한다는 것이 과연 가능할까?’라는 문제가 남게 되었다.

양자 물리학의 큰 흐름을 결정한 코펜하겐 해석에서는 이 문제에 대해 새로운 해석을 제시했다. 여러 가지 다른 상태가 가능한 입자의 상태는 가능한 여러 가지 상태의 중첩으로 나타낼 수 있다는 것이다. 예를 들어 어떤 입자의 상태를 구하기 위해 슈뢰딩거 방정식을 풀었더니, 그 해가 ϵ1의 에너지를 가지는 ψ1상태와 ϵ2의 에너지를 가지는 ψ의 상태로 나왔다. 그렇다면 이 입자의 상태는 두 상태를 모두 포함하는 ψ=aψ1+bψ2로 나타낼 수 있다.

우리는 이 때 이 입자가 ϵ1의 에너지를 가질 확률과 ϵ2의 에너지를 가질 확률을 계산할 수 있고, 그 에너지의 기대값을 계산할 수 있다. 왜 양자 물리학에서는 입자의 정확한 상태(결과)가 아니라 확률과 기대값이라는 표현을 하는 것일까? 이유는 앞의 광자재판 편에서 설명한 것처럼, 우리가 이 입자가 실제로 어떤 상태에 있는지를 알아보기 위한 측정을 하면, 입자의 상태는 두 상태가 중첩된 상태에서 하나의 상태로 결정되기 때문이다. 다시 말해 측정하는 순간 확률이 붕괴하여 입자는 특정한 하나의 상태로 확정된다. 이런 이유 때문에 양자 물리학에서는 고전 물리학과 다르게 확률과 기대값으로 결과를 나타내게 되었다.

전편의 광자 재판에서 다룬 광자가 지나간 경로도 같은 방법으로 설명할 수 있다. 우리가 관측하지 않을 때 광자의 상태는 두 창문을 통과하는 두 상태의 중첩으로 나타낼 수 있다. 이것을 우리는 광자가 동시에 두 창문을 통과했다고 표현했다. 그러나 어느 창문을 통과하는 지를 확인하기 위한 측정을 하면 광자는 두 창문 중의 하나의 창문을 통과하는 상태로 고정되어 버린다. 이런 경우 우리는 광자가 두 창문 중에서 하나만을 통과한다고 했다. 이러한 확률의 붕괴는 측정이 어떻게 물리량에 영향을 미치는지를 설명해준다.

슈뢰딩거의 고양이 = 1/2살았다 + 1/2죽었다??

양자 물리학에 대한 코펜하겐 해석에 동의할 수 없었던 아인슈타인과 슈뢰딩거는 오랫동안 편지를 주고받으며 양자 물리학에 대한 의견을 교환한 후, 1935년에 코펜하겐 해석을 반박하는 아주 중요한 사고 실험 두 가지를 제안했다. 하나는 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 이름으로 제안된 것으로, 이들의 이름 머리글자를 따서 EPR 역설이라고 부르는 것이었고, 다른 하나는 슈뢰딩거의 이름으로 제안된 슈뢰딩거의 고양이였다. 슈뢰딩거는 1935년에 독일에서 발간된 <자연과학>이라는 잡지에 다음과 같은 내용이 포함된 글을 실었다.

다음과 같이 우스꽝스런 경우를 생각해 보자. 고양이 한 마리가 철로 만들어진 상자 안에 갇혀있다. 이 상자 안에는 방사선을 검출할 수 있는 가이거 계수관과 미량의 방사성 원소가 들어 있다. 방사선 원소의 양은 아주 적어서 한 시간 동안에 한 개의 원자가 붕괴할 확률과 한 개도 붕괴하지 않을 확률이 각각 50%이다.

만약 방사성 원소가 붕괴하면 가이거 계수관이 방사선을 감지하게 되고, 그렇게 되면 스위치가 작동되어 연결된 망치가 시안화수소(HCN)산이 들어있는 병을 깨트려서 고양이에게 치명적인 시안화수소산이 흘러나오도록 하는 장치가 되어 있다. 이 상자를 한 시간 동안 방치해 둔 후에 고양이의 상태에 대해서 어떤 이야기를 할 수 있을까? 양자 물리학에서는 고양이의 상태를 나타내는 파동함수는 살아있는 상태를 나타내는 파동함수와 죽어 있는 고양이를 나타내는 파동함수의 중첩으로 나타낸다. 다시 말해 고양이는 죽어 있는 상태와 살아있는 상태가 혼합된 상태에 있다는 것이다. 그러나 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간 고양이는 살아 있는 상태나 죽어 있는 상태 중의 한 상태로 확정된다는 것이다. 관측하기 전까지는 고양이가 살아있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩된 상태에 있었다는 것을 받아들일 수가 있을까?

이 사고 실험은 실재(實在)를 나타내는 ‘흐릿한 모델’을 순진하게 사실로 받아들이지 않도록 한다. 흔들려서 초점이 맞지 않는 사진과 구름과 안개로 뒤덮인 강둑을 찍은 사진은 다른 것이다. 이 사고실험의 목적은 코펜하겐 해석이 가지고 있는 명백한 오류를 보여주기 위한 것이었다. 우리의 직감은 어떤 관측자도 여러 가지 상태가 중첩된 상태에 있을 수 없다는 것을 명확하게 알고 있다. 그러면서도 사고실험 속의 고양이는 여러 가지 상태의 중첩으로 나타내진다고 주장하는 것은 명백한 오류라는 것이다. 고양이가 특정한 상태에 존재하기 위해서 외부의 관측자가 있어야 한다는 주장을 받아들일 수가 있을까? 만약 고양이가 살아 있다면 고양이는 외부의 관측자의 관찰 유무와 관계없이 살아 있던 자신의 모습 만을 기억하고 있을 것이 아닌가? 아인슈타인은 양자이론의 모순을 부각시킨 이 사고 실험에 매우 만족해했다. 훨씬 후인 1950년에 슈뢰딩거에게 쓴 편지에서 아인슈타인은 다음과 같이 말했다.

라우에(Max T.F. Von Laue, 1879~1960)를 제외한다면 당신은 실재에 대한 엉성한 가설 주위를 맴돌지 않는 유일한 정직한 사람입니다. 과학자들의 대부분은 자신들이 실재를 가지고 얼마나 위험한 장난을 하고 있는지 모르고 있습니다. 실재는 실험에 의해 결정되는 것이 아닙니다. 고양이를 포함한 전체 시스템이 살아 있는 고양을 나타내는 파동함수와 죽어 있는 고양이를 나타내는 파동함수의 중첩으로 나타내진다는 그들의 설명은 당신의 고양이+방사성 원소 + 증폭기 + 화약을 이용한 사고실험으로 거부되었습니다. 고양이의 상태가 관측의 유무와 관계없다는 것은 누구나 알 수 있는 확실한 사실입니다.

참고로, 원래 슈뢰딩거가 제안한 고양이 상자에는 화약이 들어 있지 않았고 대신 가이거 계수관과 독약이 들어 있었다. 화약은 15년 전에 슈뢰딩거와 이 문제에 대해 의견을 나눌 때 아인슈타인이 제안한 것이었다.

슈뢰딩거와 아인슈타인 덕분에, 코펜하겐 학파는 ‘관측’의 의미를 되새기게 되었다

코펜하겐 해석에 의하면 여러 가지 상태의 중첩으로 나타내지는 체계는 측정이 실시되는 순간 하나의 상태로 확정된다. 따라서 상자가 닫혀 있는 동안에는 죽은 고양이의 상태와 살아 있는 고양이의 상태가 동시에 존재하지만 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간 고양이는 두 가지 상태 중의 하나의 상태로 확정돼야 한다. 그러나 이러한 설명만으로는 슈뢰딩거의 고양이를 제안한 슈뢰딩거나 아인슈타인을 설득시킬 수 없었다. 코펜하겐 해석에서는 관측이 무엇인지에 대해 명확한 설명을 하지 않았었기 때문에 문제를 더욱 어렵게 만들었다. 따라서 슈뢰딩거의 고양이는 양자 물리학에서 관측이 무엇을 뜻하는지를 깊이 생각하게 하는 계기를 제공했다. 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험이 제안된 후 이것을 설명하는 많은 이론들이 제안되었다. 슈뢰딩거의 고양이 실험에 대한 다양한 설명은 지면 관계상 다음 이야기로 미루어야 할 것 같다.

글 곽영직 / 수원대학교 자연대학장

서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 켄터키대학교 대학원에서 박사학위를 받았다. 현재 수원대학교 자연대학장으로 있다. 쓴 책으로는 <과학이야기> <자연과학의 역사> <원자보다 작은 세계 이야기> 등이 있다.

출처: 네이버