베르너 카를 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901년~1976년)

[管韻]

베르너 카를 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901년~1976년)

베르너 카를 하이젠베르크(독일어: Werner Karl Heisenberg IPA: , 1901년 12월 5일~1976년 2월 1일)는 독일의 물리학자이다. 불확정성 원리로 유명하며, 행렬역학과 불확정성 원리를 발견하여 20세기 초 양자역학의 발전에 절대적인 공헌을 했다. 그는 1932년에 "양자역학을 창시한" 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. 하이젠베르크는 막스 보른과 파스쿠알 요르단과 함께 양자역학의 행렬적 형식을 1925년 발표했다. 1927년에 하이젠베르크는 그의 가장 유명한 과학적 업적인 불확정성 원리를 출판했다. 또한, 그는 난류의 유체역학, 원자핵, 강자성, 우주선, 소립자의 연구에 지대한 공헌을 했다.

하이젠베르크는 독일 뷔르츠부르크에서 카스파르 하이젠베르크와 안니 베크라인의 아들로 태어났다. 그는 1920년부터 4년동안 뮌헨-루트비히-막시밀리안 대학교와 괴팅겐-게오르크-아우구스트-대학교에서 물리학과 수학을 공부했다. 그는 뮌헨에서는 아르놀트 조머펠트와 빌헬름 빈에게 지도받았고, 괴팅겐에서는 막스 보른과 제임스 프랑크에게 물리학 교육을, 다비트 힐베르트에게 수학 교육을 받았다. 하이젠베르크는 1923년에 뮌헨에서 박사학위를 획득하고 1924년에 괴팅겐에서 하빌리타치온(박사학위 후에 따는 교수 자격증)을 획득했다.

하이젠베르크는 닐스 보어의 원자 모형에 지대한 관심을 가지고 있었다. 제자들에게 정성스럽게 관심을 가져주던 조머펠트는 이를 알고 하이젠베르크를 괴팅겐에서 열린 보어축제에 데려가 주었다. 보어는 축제에서 양자역학에 대한 강의를 하였고, 하이젠베르크는 깊은 감명을 받았다. 1922년 6월의 일이었다.

하이젠베르크는 조머펠트의 조언을 따라 난류에 대해서 박사학위 논문을 썼다. 그는 논문에서 층류의 안정함과 난류의 성질을 연구했다. 그는 2차 세계대전 이후에 이 주제를 잠시 다시 연구했다.

하이젠베르크는 막스 보른 아래에서 제이만 효과에 관해 연구했다. 이 연구는 그의 하빌리타치온 논문이 되었다.

성년

하이젠베르크는 1924년부터 1927년까지 괴팅겐에서 사교수로 있었다. 1924년 9월 17일, 하이젠베르크는 록펠러 재단으로부터 연구비를 지원받아서 코펜하겐 대학을 방문했다. 그는 거기서 닐스 보어와 연구를 하게 되었고, 1925년 5월 1일에 괴팅겐으로 귀환했다. 괴팅겐에서 그는 6개월에 걸쳐 막스 보른과 파스쿠알 요르단과 함께 양자역학의 행렬적 형식을 개발했다. 1926년 5월 1일, 하이젠베르크는 코펜하겐에서 보어의 조수이자 대학 강사 일을 하게 되었다. 코펜하겐 생활 도중에 하이젠베르크는 그의 불확정성 원리를 개발하였다. 1927년의 사건이었다. 그 해, 하이젠베르크는 라이프치히 대학에서 물리학과 학과장을 맡게 되었다. 거기에서, 하이젠베르크는 파울리 배타 원리를 이용해서 물질의 강자성을 연구했다.

1932년, 제임스 채드윅이 중성자를 발견하자 하이젠베르크는 원자핵의 중성자-양성자 모형에 관한 논문을 썼다. 그 해, 그는 노벨 물리학상을 받았다.

나치 독일 아래

1933년 아돌프 히틀러가 집권하자, 유대인 물리학자들의 업적을 인정하고 가르치던 하이젠베르크는 독일 물리학계와 SS의 비판을 받았다. 하이젠베르크는 본인의 명예와 안전을 지키기 위해 사설을 쓰는 등 적극적으로 본인을 충실한 독일 시민으로 포장했다.

1939년에 핵분열의 발견 후, 하이젠베르크는 독일의 원자력 프로젝트에서 중심적인 역할을 했다. 1941년 9월 15일부터 22일까지, 하이젠베르크는 독일 지배하에 있던 코펜하겐을 방문해서 닐스 보어와 이론 물리와 핵 물리학을 논했다. 이 만남에서 무슨 말이 오갔는지와 하이젠베르크와 나치의 사람들의 관계는 수십 년간 과학사학자들의 관심을 끌었다. 이 만남은 마이클 프레인의 연극 《코펜하겐》의 주제가 되기도 했다.

전후

제2차 세계 대전 이후, 연합군은 입실론 작전에 따라 독일의 대표적인 핵물리학자들을 체포했다. 이에 따라 하이젠베르크 역시 체포당했고 조사받았다. 전쟁후 하이젠베르크는 이론 물리학자로서의 일상으로 돌아왔다. 하이젠베르크는 1947~1948년에 걸쳐 초전도체에 관한 논문 세 편을 쓰며 초전도체의 이해에 기여했다.

하이젠베르크는 1957년에 서독의 첫 원자로를 기획하는데 큰 역할을 했다. 또한, 하이젠베르크는 카이저 빌헬름 과학 협회의 회장이 되었고, 1958년 협회가 뮌헨으로 옮겨지고 막스 플랑크 협회로 이름이 바뀔 때까지 회장직을 수행했다. 하이젠베르크는 또한 독일 연구 협회 회장, 핵물리학 위원회 회장, 알렉산더 폰 훔볼트 재단 이사장을 했다. 1957년부터 하이젠베르크는 플라스마 물리학에 관심을 가졌고 핵융합을 연구하기 시작했다. 그는 국제 핵물리 협회의 과학 방침 위원회의 회원이었으며, 몇 년 간은 위원장도 했다.

1976년 2월 1일 하이젠베르크는 신장암으로 세상을 떠났다. 향년 75세

불확정성 원리

불확정성 원리(不確定性原理, uncertainty principle)는 양자 역학에서 맞바꿈 관측량(commuting observables)이 아닌 두 개의 관측가능량(observable)을 동시에 측정할 때, 이렇게 관측한 두 개의 값 사이에는 물리적으로 한계가 존재한다는 원리이다. 하이젠베르크의 불확정성원리는 위치-운동량에 대한 불확정성 원리이며, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것을 뜻한다. 위치가 정확하게 측정될수록 운동량의 퍼짐(또는 불확정도)은 커지게 되고 반대로 운동량이 정확하게 측정될수록 위치의 불확정도는 커지게 된다. 이 말을 쉽게 풀어 쓰게 되면 관측을 하는 그 순간에도 물체는 운동을 하고 있기 때문에 우리가 관측한 값은 불확정한 값이 된다는 의미이다. 하이젠베르크의 불확정성 원리를 수학적으로 표현하면 다음과 같다. 임의의 양자상태에서 위치의 평균에 대한 제곱평균제곱근(RMS)편차 (X의 표준편차)는

즉, 위치와 운동량의 표준편차의 곱은 디랙 상수의 절반보다 같거나 크다.

원자핵

하이젠 베르크는 원자 핵 분야에서도 탁월한 업적을 가지고 있다. 1932년 하이젠베르크는 핵이 중성자와 양성자로 구성된다는 새로운 이론을 발표하였다.

소립자론

하이젠베르크가 시발점이 되어 시작된 소립자론의 연구와 그 발전 동향이다. 물질의 궁극이라 여겨지는 구성요소와 그 궁극요소의 운동을 연구하는 학문. 소립자와 그 상호작용을 기술하는 이론은 상대론적인 장의 양자론이다. 이 이론에 의해 여러 가지 소립자의 속성, 즉 질량, 스핀, 스핀과 통계성과의 관계 외에, 소립자의 반응에서 나타나는 각종의 보존법칙과, 이것과 결부된 소립자의 전하, 그 밖의 양자수가 규정된다. 그리고 만약 자연계에 어떠한 종류의 소립자가 존재하며 어떠한 상호작용하에 있는가를 안다면 이들 소립자에 관련된 물리량을 계산으로써 구해 실험과 비교하는 것이 원리적으로 가능해진다. 그런데 실제로는 장의 양자론은 양자전자기학이라 불리는 특별히 잘 알려진 예를 제외하면 실험결과의 정량적 이해를 포함한 그 타당성을 증명하는 일이 어려울 뿐만 아니라, 소립자에 임의의 상호작용을 도입하면 때때로 피할 수 없는 수학적 곤란을 일으키기 때문에 장의 양자론 자체에 본질적인 내부모순이 있다는 견해가 옛날부터 주장되어 왔다. 덧붙여 1950년 무렵부터 실험에 의해 새로이 여러 소립자가 발견되고, 강한상호작용을 하는 소립자의 종류는 점차 증가해 100종류까지 달하게 되었다. 이 때문에 이와 같은 다양한 소립자의 존재를 통일적으로 기술하는 원리가 장의 양자론에는 내재하고 있지 않다는 것과도 관련해서 소립자를 기술하는 이론으로서의 장의 양자론의 유효성에 대한 부정적 견해도 종종 강한 영향력을 가지고 제기되었다. 그러나 소립자의 약한상호작용 및 강입자의 존재양식과 강입자의 강한상호작용에 관한 지식은, 이 시기에는 아직 현상론적인 단계에 머물러 있었다. 그 후 실험적 지식의 집적과 여러 현상의 이론적 분석이 급속히 진전됨에 따라, 한편에서는 공간반전의 불변성을 파괴하는 약한상호작용의 형태가 점차로 명백해짐과 동시에 다른 한편에서는 강한상호작용의 영역에 있어서는 1956년의 사카타 모형에서부터 1964년의 쿼크 모형의 제창을 거치며 강입자는 이미 소립자가 아니라, 이에 대체하여 색이라 불리는 3성분의 전하를 가진 몇 종류의 쿼크장이 공통으로 하나의 게이지장과 상호작용함으로써 개개의 강입자가 구성된다고 하는 견해가 70년대 초에 확립되었다. 이러한 게이지장의 입자를 쿼크와 반쿼크를 풀처럼 붙여서 강입자를 만드는 역할을 한다는 의미에서 글루온이라 한다. 약한상호작용도 1967년 S. 와인버그, 68년 A. 살람에 의해 밝혀진 바와 같이, 이 상호작용을 담당하는 장, 즉 약보존장을 게이지장의 형식으로 기술하여 이것을 전자기적상호작용과 통일시킬 수 있게 되어 약한상호작용이 약한 이유 대해서는 약보존이 큰 질량을 가지기 때문이라고 이해되었다. 이것에 대해 강한상호작용이 강한 이유에 대해서는, 예를 들어 쿼크와 반쿼크 사이에 작용하는 힘을 글루온의 상호작용에서 도출해 보면, 이 둘이 멀리 떨어짐에 따라 무한히 강해진다는 특별한 성질을 가진다는 것으로써 설명된다.

소립자를 현대적으로 정의해 보면 소립자는 쿼크나 경입자와 같은 스핀 1/2의 페르미형 입자와 강·약-전자기적상호작용을 부여하는 몇 종류의 게이지장이며, 또 약-전자기적상호작용의 게이지불변성의 자발적 붕괴를 일으키는 몇 개의 스핀 0인 입자의 원리로부터 이끌어내진 것에서 더 나아가 이 3종류를 단 한 종류의 상호작용으로 통일하려는 견해가 1974년 H. 조지와 S.L. 글래쇼에 의해 제기되었다. 이 이론에 의하면 팽창우주론에 따라 우주 초기에 물체가 초고온·초고밀도 상태에 있었을 때 모든 상호작용은 단일한 양상을 띠고 있었고, 그 후 우주팽창에 따른 냉각에 의해 진공이 상변화를 여러 번 일으켜 상호작용의 분화가 진행되고 자유롭던 쿼크와 글루온은 가두어져 강입자를 만들어 현재 우리들이 알고 있는 물질세계가 형성되었다고 생각할 수 있다. 이 대통일의 상호작용은 쿼크와 경입자를 대등하게 보고 이것을 세대라 하는 표지로 분류하여, 각 세대의 쿼크와 경입자 사이에 각 세대 공통된 게이지장의 군에 의한 상호작용이 존재한다고 가정한다. 이와 같은 대통일상호작용에서는 앞서 서술한 3종류의 상호작용 외에 쿼크와 경입자의 상호전화를 일으키는 상호작용이 나타나기 때문에 종래는 절대 안정한 소립자라고 여겨왔던 양성자조차 극히 장시간의 수명을 가지고 붕괴한다고 예상된다.

양자역학

과학자들은 19 세기 말에 뉴턴역학과 맥스웰의 전자기학만 있다면 물리학의 모든 법칙들이 설명될 수 있다고 생각하였다. 뉴턴역학은 입자 즉 눈에 보이는 역학을 담당하였고 맥스웰의 전자기학은 파동을 다루었기 때문이다. 즉, 이 시절 사람들은 세상의 모든 것은 파동과 입자 로 나뉜다고 생각했다. 입자와 파동은 서로 다른 것으로 취급 되었다. 하지만 이러한 이론에는 치명적인 문제, 즉, 흑체복사가 있었다. 흑체란 모든 전자기파를 흡수할 수 있는 물체인데 이로 이루어진 상자를 가열하였더니 흑체 안에 무한히 많은 파동들이 제각각의 에너지를 가지고 존재한다는 결과가 나온 것이다. 플랑크가 이러한 문제를 해결하게 되는데 이것이 양자역학의 시발점이 되었다. 플랑크는 실험 내용을 이용하여 강제로 수식을 만들었는데 이 수식이 의미하는 것이 파동 자체가 불연속적이라는 것이었다. 지금까지 사람들이 믿어 왔던 진리가 깨어지게 된 것이다. 얼마 후 아인슈타인은 광양자 이론을 발표한다. 이 이론은 빛이 입자로 존재한다는 것을 증명한 실험이었다. 이로 인하여 빛은 파동이자 입자인 것이 되었다. 이러한 불연속적인 값들을 설명할 수 있는 이론이 바로 양자역학이다. 양자의 사전적 정의는 ‘어떤 물리량이 연속 값을 취하지 않고 어떤 단위량의 정수배로 나타나는 비연속 값을 취할 경우, 그 단위량을 가리키는 용어’이다. 즉 모든 물리량이 불연속적인 값을 가지며 이 불연속적인, 즉 양자화된 것들의 움직임을 설명하여 주는 것이 바로 양자역학이다.

사람들이 어떠한 물체를 '본다'라고 하는 행위는 그 물체에 대하여 아무런 영향도 미치지 못한다. 하지만 이러한 현상은 우리가 볼 수 있는 즉 가시적인 물체에 대하여만 적용될 뿐이다. 만약 이러한 물체가 빛의 입자만큼 작아지게 된다면, 이러한 관측 행위는 관찰 대상에 영향을 미치게 된다. 즉, 불확정성의 원리란 것은 작은 입자들을 볼 때 그 입자들이 양자만큼 작아질수록 “관측”이라는 행동을 하게 되면 그 입자들은 그 관찰 행위 자체에 영향을 받게 되어 우리가 “관측”한 물리량에 착오를 가져오게 된다는 것이다. 그에 따라 어떤 입자의 위치와 속도를 동시에 알아낼 수 없다는 것이다.