하이젠베르크 불확정성 원리는 양자물리학에서부터
일반적인 팝컬쳐까지 이르는 난해한 개념들 중 하나입니다.
그건 사물의 정확한 위치와 속도를 절대로 동시에 알 수 없다고 말하죠.
그리고 문학 비평에서 스포츠 실황방송까지
모든것은 은유적으로 나타납니다.
불확정성은 흔히 측정의 결과로 나타나는데,
사물의 위치를 측정하는 행위는 그 속도를 바꾸고, 역(逆)도 같습니다.
실제 근원은 더 심오하고 더 놀랍습니다.
불확정성 원리는 우주의 모든것이
입자와 파동이 동시에 행위하기 때문에 존재합니다.
양자역학에서, 사물에 대한 정확한 위치와 정확한 속도는
아무런 의미가 없습니다.
이것을 이해하기 위해서는,
입자 또는 파동처럼 행위한다는 게 무슨 의미인지 생각해야 합니다.
정의하자면, 입자는 같은 시간에 한 장소에 존재합니다.
우리는 특정한 장소에서 그 사물을 찾을 가능성을 보여주는 것을
그래프로 재현할 수 있습니다. 그건 대못 모양인데,
특정한 장소에서는 100%이고, 다른 모든 장소에서는 0%입니다.
반면에, 파동은 공간으로 퍼지는 외란인데,
연못의 표면을 덮는 잔물결과 같은겁니다.
우리는 선명히 전체적으로 파동 형태의 특징을 식별할 수 있는데,
가장 중요하게, 그 파장은
두 인접 정점사이
또는 인접 골 사이의 거리입니다.
그러나 우리는 한 지점만 할당할 수는 없습니다.
그것은 다른 여러 장소에 있을 가능성이 높습니다.
파장은 양자 물리학에서 아주 중요한데,
사물의 파장이 그것의 운동량인 '질량 X 속도'에
관련되기 때문입니다.
빠른 속도의 물체는 큰 운동량이 있고,
그건 매우 짧은 파장을 의미합니다.
무거운 물체는 그게 빨리 움직이지 않아도 큰 운동량이 있고,
그것은 다시 말해 짧은 파장을 의미합니다.
이건 우리가 날마다 사물의 파동의 본성을 알아차리지 못하는 이유입니다.
만약 당신이 야구공을 공중으로 높이 던지면,
그것의 파장은 1미터의 1조분의, 1조분의, 10억분의 1이고,
너무 작아서 감지하기가 어렵습니다.
원자나 전자처럼 아주 작은것들은
물리 실험에서 측정할 수 있는 아주 큰 파장이 있을 수 있습니다.
만약 순수 파장이 있으면, 그 파장을 측정할 수 있어,
그 운동량도 측정할 수 있지만 그건 위치가 없습니다.
우리는 입자 위치를 아주 잘 알 수 있지만,
파장이 없기 때문에 그 운동량을 알지 못합니다.
각 위치와 운동량 모두를 알려면,
우리는 두가지의 특징을 섞어
파장이 있는 그래프를 만들려면 단지 작은 영역에서만 해야 합니다.
어떻게 이렇게 할 수 있을까요?
다른 파장을 가진 파동을 합쳐서 할 수 있습니다.
그건 다른 운동량을 가질 가능성을 지닌 양자 물체를 부여하는 것을 의미합니다.
우리가 두개의 파동을 추가시키면, 큰 파동을 만들면서 그 정점이
정렬하는 곳이 있다는 것과,
하나의 정점이 다른 골로 채우는 곳이 있다는 것을 알게됩니다.
그 결과는, 우리가 보는
아무것도 없는 구간에 의해 분리된 그 파동의 구간입니다.
우리가 3개의 파동을 추가한다면,
파동이 없어지는 구간은 더 커지고,
4번째 파동에서 그것들은 여전히 커지고, 더 파동하는 구간은 좁아집니다.
파동을 계속 추가한다면, 파동 꾸러미를 만들 수 있고,
작은 구간에서는 분명한 파장이 있게 됩니다.
그건 파동과 입자 본성을 가진 양자 물체지만,
이렇게 하는 데 성공하려면,
위치뿐만 아니라 운동량에 대한 확실함을 포기해야만 합니다.
위치는 한 지점에 제한되지 않습니다.
파동 꾸러미 중심의 사정거리내에서
그것을 찾을 높은 가능성이 있고
그들 중 어떤 하나와 일치하는 운동량을 가진 그것을 찾을
몇가지 가능성이 있다는 것을 의미하는
많은 파동을 추가함으로써 파동 꾸러미를 만듭니다.
위치와 운동량은 둘 다 이제 확실하지 않고,
불확실성은 연결됩니다.
더 작은 파동 꾸러미를 만들어 위치 불확실성을
감소시키길 원한다면 더 많은 파동을 추가시켜야 하는데,
그것은 더 큰 운동량 불확실성을 의미합니다.
만약 운동량에 대해 더 알기를 바라면, 더 큰 파동 꾸러미가 필요하고,
그것은 더 큰 위치 불확실성을 의미합니다.
그것이 하이젠베르크 불확실성 원리이고,
1927년 독일 물리학자인 베르너 하이젠베르크에 의해 처음 진술되었죠.
이 불확실성은 측정을 잘하고 못한다는 문제가 아니라
입자와 파동을 합치는 것으로의 필연적인 결과입니다.
불확실성 원리는 단지 측정의 현실적인 한계가 아닙니다.
그것은 한 물체가 가질 수 있는 어떤 성질을 제한하고,
우주 자체의 기본구조로 구축된 것입니다.