[지식보관소] 불확정성원리에 대해 알아보자. 양자역학 4편

 

 

양자역학으로 들어오면서 과학자들은

원자 안에 있는 전자의 상태를 알고 싶어졌습니다.

그래서 우리가 그 물체를 파악할 수 있는 유일한 방법인

광자를 부딪혀서 되돌아오는 모양을 보고 판단하려고 했죠.

 

 

 

만약 어떤 거대한 상자 안에

뭐가 들어있는지 확인해 봐야 한다면 어떻게 해야 할까요?

손으로 만져볼 수도 없고

내부가 칠흑같이 어두워서 아무것도 안 보인다면 말이죠.

 

가장 쉬운 방법은

내부로 무언가 돌멩이 같은 걸 던져서 나오는 소리를 듣고

내부 물체를 파악하거나

아니면 던진 물체가 다시 튕겨 나오는 모양을 보고

내부에 무엇이 있는지 알 수 있을 겁니다.

 

사실 이 방법은

우리가 현실에서 실제 오감으로 사용하는 방법입니다.

 

우리가 눈으로 물체를 본다는 게 특히 그렇죠.

우리가 무언가를 본다는 건

결국 보고 싶은 대상을, 광자를 발사해서

다시 되돌아오는 광자의 상태를 측정한다는 겁니다.

 

상태를 측정하기 위해서는

대상과의 상호작용이 필요합니다.

 

예를 들어

지금 내 옆에 있는 친구나 애인의 기분 상태를 알려면

어떻게 해야 할까요?

가장 쉬운 방법은 일단 다짜고짜 귀싸대기를 한번 때려보면

피드백이 오면서 현재 기분 상태를 알 수 있을 겁니다.

 

이것처럼 물체에 충돌하고 온 광자는

파장대가 변하는 등의 변화가 일어나고

이 광자의 변화량을 우리가 눈으로 봤을 때

그것을 색상이라고 부릅니다.

 

광자를 그 물체에 충돌시킨 뒤, 반사돼서 나오는 광자를 보고

우리는 그 물체의 색상과 거기에 물체가 존재한다는 걸 알 수 있게 되죠.

심지어 우리 눈은 두 개라서

그 물체가 가까이에 있는지 멀리 있는지까지 알 수 있게 됩니다.

 

이처럼 상태를 알기 위해서는

물리적 충격을 주는 행위가 필요합니다.

 

러더퍼드가 양성자를 발견할 때는 물론이고

입자물리학에서 그 입자를 파악하는데

과학자들은 물리적인 충돌을 이용했습니다.

 

심지어 현재 유럽의 강입자충돌기, CERN에서는

양성자를 거의 광속에 가깝게 충돌해서

양성자가 무엇으로 이루어져 있는지 발견하는 데 성공하게 되죠.

 

일상생활에서는 광자를 이용해서 관측하는 방법은

대상에 아무런 지장이 없었습니다.

광자가 에너지를 가졌다고 하지만

정지 질량이 제로이고 너무나 미미한 힘이었기 때문에

관측한다고 해서 대상의 상태가 변하지는 않았으니까요.

 

예를 들어

어두운 방 안에 들어와서 형광등을 켠다고

‘아, 형광등에서 나오는 광자들 때문에 너무 아파’

뭐 이러진 않잖아요.

 

하지만 양자역학으로 들어오면서 과학자들은

원자 안에 있는 전자의 상태를 알고 싶어졌습니다.

그래서 우리가 그 물체를 파악할 수 있는 유일한 방법인

광자를 부딪쳐서 되돌아오는 모양을 보고 판단하려고 했죠.

 

하지만 일상생활에서는 광자보다 물체가 훨씬 크기에 상관이 없었지만

전자처럼 작은 물체를 관측하니 문제가 생겼습니다.

전자가 너무 작아서 그 위치를 특정하기가 힘들었기 때문인데요.

 

그 이유는

전자기파는 특정 파장대를 가지는데

이 파장이 너무 길면 그 위치를 알 수 없기 때문입니다.

 

이렇게 파장대가 크면

전자가 여기에 있는지, 아니면 요기에 있는지

확실히 알기가 어렵기 때문이죠.

 

그래서 위치를 정확히 알려면

파장대가 짧은 전자기파를 이용해야 하는데

파장대가 짧은 전자기파는 감마선, X-Ray같이 에너지가 강한 것들이죠.

 

아시다시피 감마선은

분자 구조를 와해시켜 버릴 정도이기 때문에

우리 몸에 맞으면 암세포를 유발합니다.

 

그런데 이런 전자기파를 전자에 쐈을 때는 문제가 생깁니다.

너무나 에너지가 강해서 전자기파를 맞는 순간

전자가 크게 튕겨 나가버리기 때문이죠.

 

따라서 우리는 전자의 상태를 측정할 때

전자의 현재 위치와 현재 속도를 동시에 측정할 수 없는 것입니다.

 

이 문제에 대해서 코펜하겐 해석은

위치와 속도는 동시에 측정될 수 없다는 결론을 내렸는데요

이걸 위치와 속도를 동시에 측정하려고 하면

하나가 변한다고 하여 [불확정성원리]라 부릅니다.

 

타인이형은 이것을 굉장히 어리석은 생각이라고 생각했습니다.

하지만 타인이형이 어떻게 생각했든지,

결과적으로는 전자의 위치와 속도는

동시에 측정될 수 없다는 게 현재의 결론입니다.

 

 

자, 여기까지가

양자역학에 대해 관심이 많으신 분들은

공부해 보셨거나 알고 있는 내용일 텐데요

여기서 끝내면 제 채널이 아니죠.

이제 슬슬 소름 돋을 준비하시고요.

 

지금까지 들은 내용을 바탕으로 생각하면,

측정이라는 행위 자체가 대상에 영향을 미치기 때문에

대상을 정확히 측정할 수 없다고 오해하기 쉬운데요.

 

실제 현상은 우리 상상 이상으로 기묘합니다.

지난 편까지, 제 채널 양자역학 시리즈를 정독하신 분들은 아시겠지만

모든 물체는 관측되기 전까지 파동으로 존재합니다.

 

전자 또한 원자 내에서 상호작용이 일어나지 않으므로

파동으로 존재해야 합니다.

여기까지 이해가 안 되시면

제 채널 양자역학 시리즈 정주행을 부탁드리겠습니다.

 

중요한 점은 이중슬릿에 전자를 통과할 때

한쪽만 관측해도 다른 한쪽의 상태가 결정된다는 것인데요.

이게 무슨 말이냐면

이렇게 두 개의 슬릿을 전자가 동시에 통과할 때

관측을 하지 않는다면,

뒤쪽에 파동처럼 간섭무늬가 생기면서

어느 구멍으로 전자가 통과했는지 알 수 없게 됩니다.

 

하지만 이때 두 개의 슬릿 중 한쪽만 관측하는 순간

반대쪽 슬릿을 통과하면서 생기는 간섭무늬까지 사라진다는 겁니다.

 

그러니까 반대편을 통과하는 전자들은

저 반대편에서 관측을 하는 순간

그 사실을 즉시 알아차린다는 이야기죠.

 

사실 아인슈타인이 불확정성원리를 격렬히 반대한 이유가

바로 이것 때문입니다.

이 사실은 상대성 이론을 깰 수 있었기 때문이죠.

 

예를 들어서

서로 중첩 상태로 엮인 A와 B 전자가 있다고 가정해 보겠습니다.

여기서 중첩 상태란

관측이 되지 않아서 위치나 상태가 정해지지 않은 걸 뜻합니다.

만약 A가 관측이 되면 B의 상태도 확정될 수밖에 없다고 가정해 봅시다.

 

이 경우에 A 전자를 지구에 냅두고,

B 전자를 완전히 밀봉해서 광속으로 4.3광년 떨어진

알파센타우리계로 보낸다고 한다면 어떻게 될까요?

 

지구에서 A를 열어서 확인하는 순간,

알파센타우리계에 있는 B의 상태가 결정된다는 겁니다.

 

이 얘기는 이 방법대로 하면

이론대로면은

알파센타우리에 정보를 광속보다 빠르게 전송할 수 있다는 얘기인데요.

 

거기다가 포털사이트의 불확정성원리랑 양자암호통신을

같이 검색해 봐도 아시겠지만

심지어 이런 불확정성원리를 양자암호통신에 사용하려고 한다는 겁니다.

 

그러니까 지금까지 제가 한 얘기가

공상과학 같은 얘기지만

실제로 활용가치가 있고, 활용할 수 있다는 것이죠.

 

이제 드디어 여러분들이 좋아하는 양자역학의 꽃

슈레딩거의 고양이를 설명할 단계까지 왔는데요.

 

슈레딩거의 고양이에 대해서는 할 말이 많기 때문에

다음 편에서 이어서 하겠습니다.