불확정성의 원리(제4단락)ㅡ스티븐 호킹

 

불확정성의 원리는 말 뜻 그대로 확실치 않다는 것을 의미합니다.
즉 뜨거운 물체, 또는 별과 같은 천체는 위치와 운동량, 에너지같은 측정을 어떻게 해야할까?
모든 과학자들의 궁금증의 하나였습니다.

<막스 프랑크>는 1900년에 빛, X선, 파동들이 임의적인 비율로 방출되는 것이 아니라,
그가 양자(quantum)라고 부른 특정한 다발로만 방출될 수 있다고 주장했습니다.

각각의 양자는 일정한 양의 에너지를 가지고 있고, 그 에너지의 파동의 진동수가 높아질수록 커지기 때문에,
충분히 높은 진동수에서는 양자 하나가(단 하나) 방출되기 위해서 사용 가능한 것보다 더 많은 에너지를 필요로 한것!
따라서 높은 진동수에서의 복사는 감소되고 그 물체가 에너지를 잃는 비율은 유한할 것이다.

(복사(輻射)는 에너지를 파동이나 입자의 형태로 방출하는 것을 뜻한다. 이러한 예로 열복사를 들 수 있다.)

이 <양자가설>은 고온의 물체에서 관찰된 복사율을 훌륭하게 설명합니다.
그러나 이해되기 어렵다는 결론이 납니다.

1926년 독일의 과학자 <베르너 하이젠베르크>가 그의 유명한 <불확정성 원리>를
실험을 통해서 이해를 돕게합니다.

한 입자의 미래의 위치와 속도를 예견하기 위해서는 무엇이 필요할까요?
그것은 현재의 위치와 속도를 정확하게 측정할 수 있어야 합니다.
이 측정을 가장 쉽게 하는 방법은 어떻게 해야 할까요?

그 입자에 빛을 쪼이는 것!
빛의 일부 파동은 그 입자에 의해서 산란될 것이고 이 산란으로 그 입자의 위치를 알 수 있습니다.
그러면 그 입자의 위치를 정확하게 측정하게 위해서는 짧은 파장의 빛(강한에너지)을 사용해야 합니다.

그런데 양자는 입자를 교란시키고 예견 불가능한 방식으로 그 속도를 변화시킵니다.
게다가 위치를 더 정확하게 측정할 수록 필요한 빛의 파장은 더 짧아지고,
따라서 더 강력한 에너지를 사용합니다.

다시 말해서 여러분이 그 입자를 정확하게 측정하려고 할수록...
그 속도는 더 빠르게 움직여 위치 분산도 커집니다.
그러므로 측정이 불확실한 것을 의미합니다.

 

플러렌(C60)은 약 1nm(나노미터) 정도의 크기를 지닌 탄소로 된 결정체로, 플러렌을 레이저히터를 통과시킨 뒤 회절격자 패턴을 통과시키는 실험을 했다. 이때 검출기에 나타난 결과는 이중슬릿 실험과 일치하는 것으로 파동성을 그대로 나타냈다. 이로서 우리가 직관적으로 입자라고 생각하는 물질에서도 파동성이 증명됐다.


하이젠베르크의 <불확정성 원리>는 이 세계의 근본적이며 피할 수 없는 특성인 것으로
<막스 프랑스>의 논리를 재해석한 <양자역학>이라는 새로운 이론으로 정식화됩니다.

불확정성 원리의 이해를 돕는 간단한 실험ㅡ

방안에 헬륨풍선이 떠다니고 있습니다.
방안은 캄캄한데다 안대까지 하고 있는 당신은 앞이 전혀 보이지 않습니다.
헬륨풍선을 확인할 수 있는 방법으로 막대기를 휘둘러도 풍선은 닿는 순간 다른 장소로 날아서 이동하고 맙니다.
따라서 당신은 헬륨풍선의 정확한 위치를 알 수 없으며, 단지 어디쯤 존재할 것이라고 추측만 할 수 있습니다.

즉 풍선의 정확한 위치라는 것이 애초에 존재하지 않습니다. 다만, 우리가 막대기로 풍선을 건드리는 순간
파동함수가 붕괴되어 특정한 값으로 풍선의 위치가 관측되는 것일 뿐입니다.

---

<불확정성 원리> 뿐만 아니라 '측정' 에 의한 파동함수의 붕괴까지 고려한다면 이 이론은 설자리를 잃는다고 합니다.
다만 이 이론을 "세상은 모두 랜덤이야!"로 받아들이면 곤란하다는 말입니다.

<양자역학의 확률론>은 세상에 아무런 법칙이 없이 무작위로 모든 가능한 현상이 일어난다는 말과 같지 않습니다.
양자역학의 발전 이후에 미시 세계에 대한 예측이 가능해져 나노, 반도체, 액정 등 온갖 현대 산업이 발달한 것을
생각해보면 그것의 영향력이 지대했다는 의미입니다.

2021년 한국의 기초과학연구원(IBS) 분자분광학 및 동력학 연구단은 빛이나 양자물질이 입자와 파동의 성질을
모두 갖고 있다는 ‘양자역학 상보성 원리’를 자체 개발한 장비로 실험적으로 검증하는 데 성공합니다.
이번 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 8월 19일자에 실렸다고 합니다.

연구팀은 양자물질의 파동성과 입자성을 실험적으로 조절해 측정할 수 있도록 한 ‘얽힌 비선형 광자쌍 광원’이라는
장치를 자체 개발했다. 지금까지는 양자입자의 파동성과 입자성을 하나씩만 측정할 수 있는 것으로 알려져 있었지만
연구팀은 이번에 개발한 장치로 양자 얽힘 정도를 조절해 파동성·입자성 모두를 하나의 장치로 측정할 수 있다는 점을
증명해 냈다고 합니다. '양자역학 상보성 원리'가 제시된 지 약 100년 만에 정량적으로 측정하는 데 성공한 쾌거라고
합니다.
오늘도 도움이 되셨길 바랍니다.^^