불확정성원리 : Uncertainty Principle

Uncertainty Principle

양자역학에서 입자는 입자로서의 성질과 파동으로서의 성질을 동시에 가지고 있는데, 이 이중성을 고전적 입장에서 이해하기 위해 독일의 물리학자 W.Heisenberg 가 도입한 원리이다.

고전역학에 의하면 전자의 위치와 운동량은 전자가 어떤 상태에 있든지 항상 동시 측정이 가능하여 그 물리량의 측정값이 불확정하다는 것은 측정기술이 불충분한 때문이라고 생각했다. 그러나 양자역학에서는 입자의 위치x와 운동량 p는 동시에 확정된 값을 가질 수 없고 쌍방의 불확정성 Δx와 Δp가 ΔxΔp≥h/2π(h는 플랑크상수)에 의해 서로 제약되어, 입자의 위치를 정하려고 하면 운동량이 확정되지 않고, 운동량을 정확히 측정하려 하면 위치가 불확정해진다. 이 관계는 입자의 에너지 E와 그 에너지가 측정되는 상태의계속시간 Δt에 관해서도 성립되며, 시간이 길수록 에너지가 정확히 측정되지만 짧은 시간 동안만 존재하는 상태의 에너지를 측정하려고 하면 에너지의 불확정성 ΔE가 증가하여 ΔtΔE≥h/2π라는 관계를 볼 수 있다. 일반적으로 이와 같이 서로 상대방의 측정값을 제약하는 이른바 상보적인 물리량은 양자역학에서는 극히 보편적인 것이다. 이런 의미에서 양자역학은 상보적으로 만들어진 이론이며, 고전역학과는 본질적으로 다른 상태개념의 규정과 시간적 변화의 법칙이다.

쉽게 설명하면 다음과 같다.

속도는 주행 거리와 시간의 비로 나타낸다. 그러나 자동차의 과속을 단속하는 교통순경들은 달리는 자동차의 거리와 시간을 일일이 측정하고 그 비를 계산하는 것이 아니라, 스피드건이라는 자동차의 속도를 재는 편리한 기계 덕분에 운전자들에게 과속의 정확한 근거를 댈 수 있다. 스피드건은 달리는 자동차의 속도를 당장에 표시해 준다. 이전에는 이런 식으로 정밀한 관측 기계를 만들기만 하면, 모든 운동체에 대해서 똑같이 정밀한 관측이 가능하다고 생각되었었다.
그러나 W.Heisenberg 는 원자의 크기보다 더 작은 입자의 운동을 양자역학의 세계에서는 이러한 관측에 관한 기본적인 상식이 통용되지 않는다는 불확정성원리를 발견하였다. 이 원리에 따르면, 원자 세계의 '교통순경'이 원자의 과속을 측정하려고 스피드건을 들이대면, 스피드건에서 나오는 전파가 원자의 운동에 영향을 주기 때문에 정확한 속도를 잴 수가 없다. 그래서 아주 미약한 전파를 사용하면, 이번에는 전파가 넓게 퍼져서 어느 원자의 속도를 재고 있는지 알 수 없게 되어 버린다. 그야말로 이러지도 저러지도 못하는 관측의 딜레머에 빠지게 된다. 즉, 속도와 위치를 동시에 확정할 수 없으며, 둘 중의 하나는 확정 지을 수 없는 것이다.
어떤 대상의 움직임에 대해서도 현재의 위치와 순간속도를 알지 못하면 의미가 없다. 레이더로 적의 비행기나 미사일을 추적할 때도 마찬가지다. 미사일이 음속의 3배 속도로 날아온다고 하자. 그러나 어디쯤을 날고 있는지 모르고서는 요격할 수가 없다. 마찬가지로 현재의 위치만 알고 속도를 모른다면 정확한 요격 지점을 계산해 낼 수가 없다. 즉, 미사일이나 적기를 요격하기 위해서는 현재의 비행 위치와 속도(순간 속도)를 함께 알아야 한다.
하지만, 양자역학의 세계에서는 불확정성원리 때문에 결정론적인 추론은 불가능하고, 겨우 확률론적인 추측밖에 할 수가 없다. 수소원자 속에 있는 전자가 어느 궤도를 어떤 속도로 돌고 있다고 말하기보다 어느 공간 영역에 '분포되어 있다'고 말할 수밖에 없다. 겨우 '그 영역에서 전자가 발견될 확률은 얼마이다'라는 정도의 정보밖에 얻을 수 없는 것이다.
결국, 우주의 벽돌이라고 할 궁극의 원자 세계를 표현할 때, 불확정성 원리에 따라 확률론적으로 밖에 나타낼 수 없다면, 그것들로 구성되는 거시 세계도 결정론적으로 정확히 예측할 수 있을지 의심스러워 진다.

A.Einstein 은 자신도 그 개척자의 한 사람이었던 양자역학에 대해서 비판적인 태도를 취했었다. 그는 양자역학의 확률론적인 성격에 대해서 늘 다음과 같은 비유를 들어 부정하곤 했었다. 「신은 우주를 만드는데 있어서 주사위 같은 것은 굴리지 않았다」하고 말이다. 그때마다 그의 공동연구자이자 평생의 친구인 N. 보어는 강한 어조로 반박했다. 「알버트, 자네는 과학을 이야기하는 자리에 왜 신을 끌어들이는가?」