하이젠베르크의 불확정성 원리. 알 수 없는 입자의 세상

원자 모형

고전물리를 벗어나는 입자의 세상

우리가 정말 많이 봤던 뉴턴의 법칙 이론들은 모두 고전물리라고 부르는 범주에 속합니다. 고전물리는 값을 정확하게 계산할 수 있고, 미래를 예측할 수 있습니다. 물체가 한 지점에서 다음 지점으로 갈때의 이동거리, 속도, 시간 등을 계산할 수 있기 때문이죠.

 

고전물리학은 우리가 눈으로 볼 수 있는 사물에서는 모두 적용됩니다.

하지만 우리가 볼 수 없는 아주 작은 것들의 세상에서는 고전물리로는 풀 수 없는 영역이 존재합니다. 우리가 상식적으로 계산했던 것들이 더 이상 상식적이지 않고, 물체가 존재한다고 믿었던 위치에 물체가 없을 수도 있다는 사실이 혼란스럽게 합니다.

 

 

 

동시에 측정할 수 없다

 

하이젠베르크

 

불확정성 원리는 독일의 물리학자 하이젠베르크에 의해서 처음 발견되었습니다. 이 원리는 입자의 위치와 운동량을 고전물리학에서 예측할 수 있었던 것처럼 임의로 정확하게 결정될 수 없다는 것을 말합니다. 

복잡한 검출기로 입자의 위치와 운동량을 측정하면 더 높은 정밀도를 얻을 수 있을 것으로 기대하지만 이것은 불가능하다는 것이 판명되었습니다. 실험이 아무리 정교하더라도, 원칙적으로 어떤 실험 기법을 사용하더라도 피할 수 없습니다.

 

 

하이젠베르크 불확정성 원리 식

$\hbar$는 (h 바라고 읽음) 플랑크 상수 $h$를 $2\pi$로 나눈 값을 의미하고, 디랙상수라고 부릅니다.

3차원 공간에서 각 좌표와 운동량 성분에 대해서 위와 같은 불확정성 관계가 있습니다. 하지만 여기서 한 좌표의 불확정성은 다른 운동량 성분의 불확정성과 관계가 없습니다. 예를 들어 $\Delta x$와 $\Delta p_y$는 직접적인 관련이 없습니다.

 

 

에너지에서도 불확정성이 존재합니다.

불확정 양 $Delta E$는 계가 주어진 상태에 머무르는 동안의 시간 간격 $Delta t$와 관계가 있습니다.

 

전자 이중 슬릿 간섭실험

출처: 동아사이언스

위 실험에서 우리는 각각의 전자들이 간섭무늬를 만들 때 어느 슬릿을 통과하는지, 전자가 무늬의 어느 위치에 있는지를 정확하게 예측할 수가 없습니다. 불확정성원리를 해명하기 위해 닐스 보어가 도입한 상보성원리에 따르면, 전자의 입자성과 파동성을 동시에 관측할 수 없습니다. 파동성을 관측하려 하면 입자성이 보이지 않고 입자성을 관측하려면 파동성이 보이지 않아서 동시에 측정이 불가능합니다.

 

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양자역학 상보성의 원리를 실험적으로 증명

얼마전 상보성의 원리를 실험적으로 증명한 국내 연구진에 대한 뉴스기사가 보도되었습니다.

 

 

 

이번 실험을 통해 양자역학에 대한 실마리가 풀릴 수 있을 것인지 궁금해지네요.