양자역학의 한가운데 있는 상보성의 원리
![](https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fncc.phinf.naver.net%2Fncc02%2F2010%2F7%2F7%2F12%2F17.jpg)
양자역학이라는 이 난해한 골칫덩어리의 한가운데에 상보성(complementarity)의 원리가 있다. 상보성의 원리는 핵물리학과 양자역학의 태두라 할 수 있는 덴마크의 닐스 보어가 주창하였다. 상보성의 원리를 한마디로 말하자면, 다음으로 요약할 수 있다.
“어떤 물리적 계의 한 측면에 대한 지식은 그 계의 다른 측면에 대한 지식을 배제한다.”
상보성 원리의 예: (1) 위치-운동량의 불확정성
![](https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fncc.phinf.naver.net%2Fncc02%2F2010%2F7%2F7%2F12%2F17.jpg)
몇 가지 구체적인 예를 들어 보자. 양자역학은 고전역학과는 달리 불확정성이 지배하는 세상이다. 그렇다고 해서 모든 것이 불확실한 것은 아니다. 양자역학에서의 불확정성은 하이젠베르크의 유명한 불확정성 원리에 잘 정리가 되어 있다.
![](https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fncc.phinf.naver.net%2Fncc02%2F2010%2F7%2F7%2F32%2F%25BC%25F6%25BD%25C41.jpg)
여기서 Δx는 위치의 불확정성을, Δp는 운동량의 불확정성을 나타낸다. 이 관계식에 의하면 어떤 입자의 위치와 운동량을 동시에 임의의 정밀도로 정할 수가 없다. 이는 미시세계에서 입자의 위치를 어떻게 정할 것인가의 문제와 관련이 깊다.
거시세계에서 우리가 어떤 물체를 본다는 것은 그 물체에서 튕겨 나오는 빛을 보는 것이다. 미시세계도 마찬가지여서 예컨대 전자의 위치를 알아내려면 그 전자에 빛을 쪼여 그 빛이 튕겨 나오는 양상을 분석하면 된다. 이때 전자의 위치에 대한 해상도를 높여 위치의 불확정성을 낮추려면 파장이 짧은 빛을 이용해야 한다. 짧은 파장을 가진 파동은 그만큼 짧은 거리를 탐색할 수 있기 때문이다.
그런데 파장이 짧은 빛은 그만큼 높은 에너지를 가지고 있다. 파장이 짧은 자외선이나 혹은 X선의 투과력이 높은 것을 생각하면 된다. 만약 전자의 위치를 정확하게 측정하기 위해 짧은 파장의 빛을 쬐면 빛의 높은 에너지가 전자에 전달되어 전자의 운동량의 불확정성은 그만큼 늘어난다. 반대로 전자의 운동량을 정확하게 측정하기 위해 긴 파장의 빛을 쓰면 그만큼 해상도가 떨어지기 때문에 전자의 위치에 대한 불확정성은 늘어난다.
이때 우리는 전자의 위치와 운동량이 서로 상보적인 관계에 있다고 말한다. 고전역학에서는 입자의 위치와 운동량을 무제한의 정밀도로 정확하게 측정할 수 있다. 그러나 양자역학에서는 그 두 양을 모두 정확하게 측정할 수 없다. 하나의 결과가 다른 결과에 영향을 미치기 때문이다. 즉, 입자의 운동량에 대한 지식은 위치에 대한 지식을 배제하며, 그 반대도 마찬가지다.
상보성 원리의 예: (2) 입자-파동의 이중성
![](https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fncc.phinf.naver.net%2Fncc02%2F2010%2F7%2F7%2F12%2F17.jpg)
|