양자역학 핵심이론 1편_불확정성의 원리

양자역학이라는 단어는 이해하지는 못해도 대부분 많이 들어봤을거에요.

이해해보려고 공부해보려고 여러 영상을 보고 책을 봐도 도무지 어렵게만 느껴지는 양자역학.

그 양자역학이 뭔지 알아두면 기술발전의 흐름을 이해하는데 도움이 될 것이라는 믿음에

한때 양자역학 관련된 서적과 영상으로 하루를 채웠던 시간들이 있었습니다.

결과적으로는 많은 도움이 되고있어요.

 

전공자가 아닌 입장에서 제가 그나마 이해한 내용들을 다시 정리하며

저도 공부하고, 제가 공부한 내용들을 공유하는 그런 글을 쓰려고 합니다.

 

양자역학 핵심이론 1편 : 불확정성의 원리

 

양자역학에서 결코 빠지지 않고 등장하는 가장 핵심적인 개념 중 하나가 바로 '불확정성의 원리'입니다.

결론부터 말하자면,  미시세계에서 전자의 위치와 운동량을 동시에 알 수 있는 방법은 존재하지 않으며 

어디에 있는지 확률적으로만 알 수 있다는 것이 바로 이 불확정성의 원리입니다.

 

아인슈타인은 이 이론을 평생 반대하며 '신은 주사위놀이를 하지 않는다' 라는 유명한 말까지 남기게 된

이 이론은, 결국 현재까지도 양자역학의 핵심 이론으로 자리잡고 있습니다.

 

도대체 불확정성의 원리가 뭘까요?

 

 

"우리가 특정 양자 물체에서 가지는 위치와 운동량을 알게 되었다면 한 값을 정확하게 알아낼수록 그만큼 다른 값이 불확실해진다"

 - [Youtube] 톡톡에너지 제 42화 양자의특징 - 불확정성 원리

 

우선 사진으로 예를들어 보겠습니다.

 

왼쪽 사진과 오른쪽 사진을 각각 촬영한다고 했을 때,

왼쪽 사진을 찍기 위해서는 노출을 짧게해야하며 오른쪽 사진을 촬영하기 위해서는 노출 시간을 길게해야 합니다.

노출을 길게하면 별의 움직임을 관측할 수 있으나 현재 별의 정확한 위치를 알 수 없게 되며

반대로 노출을 짧게하면 별의 정확한 위치는 알 수 있으나 어떻게 움직이고 있는지를 알 수 없게 되죠.

 

 

이것을 정확하게 이해하기 위해서는 다시 과거로 돌아가야 합니다.

 

빛이 입자인지 파동인지. 그리고 전자가 입자인지 파동인지 정확하게 밝혀내고싶었던 과학자들은 여러가지 실험을 하던 중이중슬릿 실험이라는 것을 하게 됩니다.(전자와 광자 이런것들은 너무 작아서 사람이 눈으로 직접 볼 수 없었기 때문에 간접적인 테스트를 통해 확인해야 했죠)전자를 하나씩 앞으로 쏘아 슬릿이 두개 난 판을 통과하게 하고, 그 뒷면에 입자가 달라붙게 했을 때 전자가 입자의 형태라면 벽에는 두 줄로 전자가 나타나야 할 것이고파동의 형태라면 여러 줄로 나타나야 할 것입니다.

 

이를 그림으로 표현하면 아래와 같습니다.

 

출처 : 인저리타임(http://www.injurytime.kr)

 

결과적으로 전자는 screen에 여러 개의 간섭무늬를 나타내며 파동이라는 것이 밝혀졌습니다.

하지만 꼭 눈으로 확인하고싶었던 과학자들은 전자가 이중슬릿을 통과하는 순간을 관측하려고 불을 켜는 순간 갑자기 전자는 입자의 형태를 나타내게 됩니다. 

 

 

계속 파동의 형태를 나타내다가 사람이 보는 순간 갑자기 입자의 형태가 된다?

도저히 믿을 수 없는 결과에 과학자들은 멘탈이 붕괴되다가, 결국 도대체 본다는 것이 무엇인가로 넘어가게 됩니다.

 

빛이 어떤 물체에 튕겨 반사되는 입자가 눈에 들어올 때 우리는 '본다' 라는 표현을 합니다.

즉, 무언가를 보기 위해서는 빛이라는 입자가 반드시 필요하다는 뜻이죠.

 

우리는 무언가를 보기 위해 반드시 빛이 필요하고 이 세상에 수많은 빛들과 함께 살아가지만

빛에 맞았다고 해서 아프거나 하진 않습니다.

하지만, 눈에 보이지 않는 미시 세계에서는 빛에 맞는 것만으로 전자가 튕겨나가는 현상이 발생하게 됩니다.

 

 

전자의 위치를 측정하기 위해서는 X-ray와 같이 파장이 짧고 에너지가 긴 빛을 사용해야 하는데 

이러한 빛은 전자와 같이 작은 입자를 튕겨나가게 해서 전자의 운동량을 알 수 없게되며,

반대로 파장이 길고 에너지가 낮은 빛을 사용하게 되면 입자의 운동량은 측정할 수 있지만 정확한 위치를 

알아낼 수 없게 됩니다.

 

고전역학(뉴턴역학)에 따르면 물체의 움직임을 기술하기 위해서는 초기조건으로 물체의 위치와 운동량이 반드시 필요한데, 이 둘을 동시에 정확히 측정할 방법이 원리적으로 존재할 수 없다는 것이죠.

 

이것은 초기조건을 알면 과거와 미래를 알 수 있다는 뉴턴의 결정론적 고전역학에 정면으로 맞서는 내용입니다.

 

또한 이 불확정성의 원리를 발표한 하이젠베르크는 닐스보어 등과 '코펜하겐 해석' 이라는 이론을 정립하여 같이 연구를 하게 되었고 물리학계의 전설적인 회의가 된 1927년 제 5차 솔베이 회의에서 아인슈타인과 물리학 전쟁이 발생합니다.

 

1927년 제 5차 솔베이회의 사진

 

"신은 주사위를 던지지 않는다"

"아인슈타인, 신에게 명령하지 마십시오"

"우리가 달을 보지않는다고 해서 그곳에 달이 존재하지 않는가? 내가아닌 친구가 달을 보았다면

그 달은 있는것인가 없는것인가?"

"달을 보는 사람이 한명도 존재하지 않는다면 달이 그곳에 있는지 확인할 방법이 없습니다. 즉, 달의 위치를 확인하는 유일한 방법은 누군가 달을 관측하는 것 밖에 없습니다"

 

 

이렇게 논쟁의 핵심이 되어버린 하이젠베르크의 '불확정성의 원리'는 아인슈타인과의 계속되는 물리학 전쟁을 통해 점점 강화되어 현대물리학의 주를 이루는 양자역학의 핵심 이론이 되었습니다.

 

 

전자가 이렇게 움직이는 사실만 제대로 받아들이면 모든 실험결과와 수식이 잘 들어맞는데 이것을 왜 받아들이지 못하는가, 도대체 이해하는 것이 무엇인가, "Shut up and calculate!"라고 까지 말하며

자연을 그저 받아들이고 측정을 통해 알아낼 수 있는 것으로 이론을 구성해보자는 연구를 계속했던 하이젠베르크.

그리고 모든 자연법칙은 하나의 수식을 통해 완벽하게 알아낼 수 있을 것이라 믿었던 아인슈타인

 

1900년대 초에 있었던 불꽃튀는 물리학전쟁을 통해 우리는 현재 각종 전자기기를 쓸 수 있게 되었고

반도체의 발명을 통해 컴퓨터가 세상에 나왔으며 최근에 화제가 되었던 양자컴퓨터, NFT, 가상화페 이런 개념들 또한

양자역학적인 이론에 근거하고 있습니다.

알면알수록 재미있는 물리학 이야기죠!!

 

 

 

다음 편에서는, 양자역학에서 절대 빠질 수 없는 이야기

"슈뢰딩거의 고양이'로 돌아오겠습니다.