양자역학, 그 원리를 깨닫다

파인만이 들려주는 불확정성 원리 이야기 - 과학자들이 들려주는 과학이야기 03 ㅣ 과학자가 들려주는 과학 이야기 131
정완상 지음 / 자음과모음 / 2005년 2월

수학중에서도 가장 어려운 양자역학의 기본 원리는 바로 불확정성의 원리라고 한다. 불확정성의 원리는 이해하기가 매우 어려워서 심지어는 어른들조차도 한참 공부해야 겨우 깨닫는 것이라고 한다. 양자 역학은 원자에서 존재하는 물질이 어느 위치에 있는가, 하는 것을 이용한 수학이다. 물론 양자역할을 어렵게 생각할 필요는 없다. 단지 원자에 대해서 조금만 더 안다면 양자역학은 자연스레 배우게 될 테니 말이다.

파인만이 말하길, 원자를 이루는 또다른 더 작은 물질이 있다고 했다. 사람들은 세상에서 가장 작은, 더이상 쪼갤 수 없는 것을 원자라고 정의했다. 그런데 이 원자를 이루는 더 작은 물질이 등장했으니, 바로 쿼크였다.

양자역학의 기본을 이루는 불확정성 원리는 어려워 보여도 매우 간단하다. 눈을 감아보자. 우리 근처에 10개의 하얀 구슬이 굴러다니고 있다. 그 중에서 하얀 구슬에는 1에서 10까지 적혀있는데 우리가 검은 구슬을 던져서 4가 적혀있는 구슬을 맞출 확률은 얼마나 될까? 대부분 불가능하다고 하겠지만, 이것이 바로 양자역학의 불확정성의 원리이다. 오차가 생기는 것은 속도오차와 위치오차 두 가지가 있는데 우리가 위치만을 생각하며 던지면 속도오차가 생겨 정확히 맞추지 못한다. 그러니 위치를 생각하지 않고 던지면 오히려 맞출 확률이 더 커지는 것이다. 이 원리가 바로 불확정성 원리이다.

아직 잘 이해하지는 못하겠지만, 그래도 어려울줄만 알았던 양자역학의 기본이라도 알아냈으니 다행이다. 무척 어렵다는 이 수학을 이해할 수 있도록 노력해보아야겠다.