불확정성의 원리 정의, 쉽게 이해하기, 하이젠베르크 양자역학, 헬륨풍선 사고실험

기버단단 2023. 6. 21.

불확정성의 원리 정의, 쉽게 이해하기, 하이젠베르크 양자역학, 헬륨풍선 사고실험

불확정성의 원리 정의

독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크가 제안한 물리학 이론 중 하나이다. 수학에서 말하는 불완전성 정리가 아니라 불확정성(uncertainty) 원리이다. 하이젠베르크는 우리가 전자를 확인하기 위해 빛을 쏴서 봐야 하는데, (사실 우리가 무언가를 본다는 것은 모두 빛이 튕겨져 나왔기 때문에 보이는 것이다) 빛을 쏘는 순간 전자의 위치가 틀어져버린다. 전자는 너무 가벼워서 빛에도 튕기기 때문이다. 그래서 전자의 위치를 정확하게 알아내려는 순간 전자는 운동량이 변하게 된다. 양자역학에서는 기본적인 개념이다.

이해하기 쉬운 헬륨풍선 예시

허공에 떠다니는 헬륨풍선을 눈을 감은채 막대기만 들고 위치와 운동에너지를 알아내려고 해 보자. 우리가 헬륨풍선으로부터 얻고자 하는 정보는 헬륨풍선이 떠 있는 공간상의 위치(x, y, z)와 헬륨풍선의 움직이는 속도이다(정지해 있거나 움직이고 있을 것이다) 그런데, 눈을 감고 있기 때문에 막대기를 사용해서 헬륨풍선의 위치를 알아내야만 하는데, 헬륨풍선은 너무나도 가벼워 아무리 살살 막대기를 갖다 댄다고 해도 움직여버리고 만다. 막대기에 위치센서가 있다고 치자. 헬륨풍선을 건드리는 순간 정확한 위치는 알 수 있겠지만, 이미 헬륨풍선이 움직였기 때문에 운동량값은 정확한 측정이 불가능하다.

내가 맞다고 생각하는 것들이 틀릴 수도 있는 이유

즉, 물리학 세계에서 정확한 관측이란 물가 능하다는 것이다. 어떠한 관측을 할 때는 관측대상이 다른 것과 상호작용을 하고 있기 때문에 불확정성이 언제나 존재한다는 것이다. 불확정성의 원리는 내가 생각한 대로 세상만사가 단순하게 돌아가지 않는 이유를 설명해 주는 철학적 원리이기도 하다. 세상이 내 뜻대로 돌아가지 않는다는 것은 과학적으로 증명된 사실이다.