하이젠베르크의 불확정성 원리

프롤로그

이 번 글에서는 조금은 생소할 수도 있고 어려워 보일 수도 있지만 우리의 실제 생활에도 너무도 잘 맞고 시사점이 작지 않은 물리법칙, 하이젠베르크의 불확정성 원리에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

불확정성 원리

불확정성 원리(Uncertainty Principle)는 양자 물리학의 기본적인 원리 중의 하나인데 입자의 위치와 운동량을 모두 정확하게 측정하는 것은 불가능하다는 원리로 1927년 독일의 이론물리학자 하이젠베르크(Werner K. Heisenberg, 1901 ~ 1976)에 의해 공식화되었습니다.

 

한 입자의 위치 x를 정확하게 측정하려고 하면 운동량 p가 확정되지 않고, 운동량 p를 정확히 측정하려 하면 위치 x가 확정되지 않는 즉 두 측정값의 오차의 곱이 항상 일정한 상수라는 원리입니다. 이것을 수식으로 간단히 나타내면 아래와 같습니다.

 

   Δx·Δp ≥ h/4π  (Δ: 오차, x:위치, p:운동량, h: 플랑크 상수)

 

이것은 단순히 측정기술의 문제가 아니며 입자의 특성과 파동의 특성을 오가는 미시적인 양자역학에서 불가피하게 발생하는 문제로써 확률분포 함수로 얻어지는 측정값들은 모두 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 근본적인 문제를 얘기하는 것입니다.

시사점

그럼 우리의 삶을 투영해보면 어떨까요? 불확정성 원리는 우리의 일상생활에서도 수 없이 증명되고 있습니다. 요즈음 골프 붐이 일고 있으니 먼저 골프를 연계해서 예를 들어보겠습니다.

 

골프를 조금이라도 하는 사람이면 누구나 먼 거리까지 볼을 쳐서 날릴 수 있는 장타자가 되고 싶어 하고 동시에 원하는 위치에 정확하게 볼을 떨어뜨리는 거리감과 방향감을 갖기를 원합니다. 저를 포함해서 말입니다.

 

불확정성 원리를 적용해보면 골프공이 날아가는 거리 즉 헤드 스피드와 볼이 원하는 곳에 떨어지는 위치의 정확도는 동시에 높은 수준을 확보할 수 없다는 것입니다. 개인의 따라 또는 장비에 따라 상수만 틀릴 뿐 거리와 정확도는 하나를 확보하면 다른 하나가 기준 이하 수준으로 떨어지는 불확정성 원리를 따르게 되는 것입니다.

수식으로 간단히 나타내면 아래와 같이 표현됩니다.

 

   거리·정확도 ≥ 상수 (상수는 개인마다, 장비마다 틀립니다.) 

 

다른 대표적인 예가 바로 가격과 성능(품질)입니다. 우리가 돈을 지불하고 구입하는 모든 공산품과 서비스를 살펴보면 아이템에 따라 상수가 틀려질 뿐 가격이 저렴하면서 품질과 성능까지 우수한 경우는 찾을 수가 없는 것입니다. 바로 불확정성 원리가 여기에도 적용되기 때문입니다. 자동차, 여행 프로그램, 식료품, 핸드폰....

 

사람들은 외모, 학력, 재력, 권력.... 모두를 갖고 싶어 합니다. 어찌 보면 인간이라면 당연한 욕구입니다. 그러나 개인마다 또 항목이 무엇이냐에 따라 불확정성 원리의 상수만 틀릴 뿐, 어느 하나가 수준 이상이면 다른 하나는 반드시 수준 이하가 되는 것입니다.

 

나머지 다른 하나까지 욕심을 부리고 높은 수준을 추구하면 자연의 섭리를 거스르게 되고 반드시 사달이 나게 되는 것입니다. 옛말에 두 마리 토끼를 쫓다 두 마리 다 놓친다는 말이 있습니다. 불확정성 원리는 비록 양자 물리학으로부터 나온 법칙이지만 모두 갖고 싶어 하는 인간의 욕심에 경종을 울리는 또 다른 진리가 아닐까 생각해 봅니다.

일상 생활에서의 물리 법칙! 다른 글도 아래 링크를 참조하시기 바랍니다.

지금까지 '하이젠베르크의 불확정성 원리'에 대해 자세히 알아보았습니다. 유익하고 흥미로운 다른 글도 참조하시기 바랍니다.