양자역학-불확정성 원리(Uncertainty principle)

 불확정성 원리란 입자의 위치와 운동량(속도)을 동시에 정확히 알아낼 수 없고, 두 측정값의 부정확도를 일정 이하로 줄일 수 없다는 양자역학의 원리로 과학자 하이젠베르크가 발표하였다. 고전역학의 예측과는 달리 양자역학에서는 위치와 운동량이 동시에 확정적인 값을 가질 수 없으며 확률로 나타낼 수 있을 뿐이라고 한다.

 

 양자현상은 특정한 시도에 의해 그때그때 얻어지는 결과물에 대한 예측이 아니며 여러 번의 관찰로부터 얻어지는 기댓값과 같은 통계적인 예측만을 할 수 있다고 한다. 불확정성 원리는 이러한 양자현상의 특성을 잘 보여주는 물리적인 원리이다.

 

불확정성 원리를 이해하기 위해 이중 슬릿 실험을 통해 알게 된 것을 다시 살펴보자. 이중 슬릿 실험을 통해 모든 물질은 입자이자 파동이라는 양자역학의 핵심을 알게 되었다. 그리고 이중 슬릿 실험에서 전자가 파동처럼 행동하다가도 관측과 같은 어떠한 상호작용이 있으면 입자로 보인다는 것을 알게 되었다. 이것은 관측하거나 관찰자가 존재하는 등 어떠한 물리적 법칙과의 상호 작용이 물질의 존재에 영향을 주었다고 볼 수 있다.

 

관측과 같은 상호 작용이 있을 때 입자로 나타나기에 정확한 측정이 어렵고, 입자가 어떤 위치에 있고 어떤 속도로 움직이는지는 확률로 나타낼 수 있을 뿐이다. 입자가 파동과 입자가 중첩된 상태로 존재하다가도 관측하는 순간 입자로 나타날 때 파동 함수가 붕괴된다. 양자 세계에서 초기 상태가 관측에 의해 다른 상태로 바뀌는 것을 파동 함수 붕괴라고 말한다. 파동 함수가 무엇인지는 수학적 영역이라 넘어가고 불확정성 원리는 관측에 의해 관측하고자 하는 상태에 영향을 주는 양자현상의 특징을 보여준다.

 

다시 말해 불확정성 원리는 양자의 위치와 운동량(속도)을 동시에 정확하게 측정할 수 없고 어디에 위치하고 어떻게 운동하는지 정확히 알 수 없고 확률적으로 존재한다는 것이다. 그래서 덴마크 과학자 닐스 보어는 "측정되기 전까지는 어떤 것도 존재하지 않는다."는 말을 남겼다.

 

 아주 작은 양자 세계에서는 우리가 일반적으로 아는 상식으로는 이해할 수 없는 일들이 벌어지고 있는 것이다. 물질이 입자이자 파동이라는 것도 놀라운데 관측과 같은 상호작용에 따라 물질이 영향을 받는다는 것은 물질에도 지능이 있는 것인지 물음표를 던지게 한다.

 

이러한 양자의 세계에서 일어나는 일을 우리가 사는 세상으로 확대해서 해석하고 생각해 보게 된다. 그러면 모든 물질이 입자이자 파동이라 온 우주가 서로 영향을 주고받고 있다고 볼 수 있을 것이다. 모든 것은 불확정적이고 확률로 예측할 수 있다고도 할 수 있다. 내가 어떤 것을 관측하는 순간 그 대상이 존재를 드러낸다고도 할 수 있을 것이다.

 

이러한 생각이 지나친 확대해석일 수도 있는데 과학자 닐스 보어가 이런 말을 했다.

"양자역학에 충격을 받지 않았다면 양자역학을 이해하지 못하고 있는 것이다."