[박종진의 과학 이야기] 불확정성의 원리

박종진

우선 제목만 보고 이 글 읽기를 포기할지 모른다. 먹고 살기도 힘들고 할 일도 많은데 뜬금없이 불확정성의 원리라니, 시간 낭비라고 생각할 사람이 많을 것이다. 하지만 학문이란 원래 쉬운 지식을 공연히 복잡하고 어렵게 포장해서 우리를 애먹이지 않았던가. 그렇다면 양자역학이란 엄청난 이론을 떠받치고 있는 불확정성의 원리가 도대체 무엇인지 그 정체나 살펴보기로 하자. 알고 나면 참 별것도 아니기 때문이다.
 
19세기 초반에 원자를 다루는 미시세계가 밝혀지기 시작하자 가장 먼저 문제가 된 것은 원자의 세계에서는 뉴턴의 운동 법칙이 들어맞지 않는다는 것이었다. 지구와 달은 물론, 태양계의 모든 행성의 움직임, 나아가서는 우주의 모든 운행에 철석같이 맞아떨어졌던 뉴턴역학이 원자의 세계에서는 통하지 않았다.  
 
수소 원자는 양성자가 하나인 핵 주위를 전자가 공전하는 모습을 하고 있다. 마치 지구를 중심으로 인공위성이 돌고 있는 것과 흡사하다. 거시 세계에서는 인공위성의 속도를 높이면 고도가 올라간다. 그런데 핵 주위를 도는 전자의 속도를 높여도 그런 일은 일어나지 않았고 오히려 전자는 순간적으로 다른 궤도로 옮아갔다. 유식한 말로 양자 도약을 했다. 그뿐만 아니라 전자의 위치를 알면 속도가 불분명해지고, 반대로 속도를 파악하고 나면 전자의 위치를 알 수 없었다. 소위 고전역학이라고 부르는 뉴턴역학에 익숙한 일반 사람들은 그 이유를 알지 못했다.
 
이때 혜성과 같이 나타난 사람이 바로 베르너 하이젠베르크였다. 31살의 젊은 청년이었던 그는 불확정성의 원리라는 이론으로 원자 세계에서 일어난 이런 이상한 현상을 해결해 버렸고, 그 공로로 노벨상을 받았다.  
 

하이젠베르크에 따르면 핵 주위를 공전하는 전자는 그 속도를 알면 위치를 알 수 없고, 위치를 알면 속도를 알 수 없다. 마치 우리가 동전의 앞면과 뒷면을 동시에 볼 수 없는 것처럼 미시세계에서는 전자의 움직임과 속도를 동시에 파악할 수 없었다. 이런 사실을 학문적으로 멋들어지게 표현한 것이 바로 불확정성의 원리다. 전자의 공전 궤도가 그렇게 멋대로인 것을 설명하는 이론이 양자역학이고, 전자의 그런 엉뚱한 운동을 대변한 것이 바로 불확정성의 원리다.
 
이때 딴지를 건 사람이 바로 고양이 사고실험으로 유명한 슈뢰딩거였다. 슈뢰딩거는 양자역학이란 신종 엉터리 학문을 어떻게 해서라도 뒤집고 싶어서 고양이 사고실험을 했지만, 그 실험은 오히려 양자역학을 대변하는 실험이 돼버렸고, 파동방정식이란 수학 공식을 만들어서 해결하려고 했지만, 결과는 하이젠베르크의 행렬역학에서 나온 답과 같았다. 같은 현상을 정 반대 각도에서 접근했는데 똑같은 해를 얻었다.
 
불확정성의 원리 때문에 원자 안에서 전자가 위치한 곳이 확실하게 파악되지 않고 확률에 의한 전자구름으로 보였다. 구름이 짙으면 그곳에 전자가 있을 확률이 높을 뿐이었다. 그 말을 들은 아인슈타인은 '신은 주사위 놀이를 하지 않는다.'라고 화를 냈다고 한다.  
 
질량을 가진 전자는 엄연한 입자다. 그런데 일단의 신진 과학자들은 그런 전자도 파동의 성질을 갖는다고 하며 '양자'라는 아예 새로운 이름으로 불렀다. 양자역학이 막 태동하는 순간이었고 이 새로운 이론을 잘 설명한 것이 바로 불확정성의 원리다. (작가)  
 

박종진