[2018 9모 국어] 양자역학과 불확실성

18학년도 9월 모의고사에는 "양자역학" 지문이 나왔습니다.

이 지문이 어려웠던 것은 양자역학이라는 생소한 내용과 거짓말쟁이 문장이라는 복잡한 개념이 혼합되었기 때문일 것입니다.

양자역학은 생소하고 어려운 학문이 맞지만, 국어지문에서는 종종 나오는 친구입니다.

2018년도 9월 모의고사 이외에도 12년도 수능이나 04년도 수능에도 출제가 되었으니까요.

이번 포스팅에서는 그동안 나왔던 지문의 내용보다는 조금 더 깊게, 하지만 전체적으로 보면 여전히 얕게 양자역학의 개론에 대해 알아보겠습니다.

그 과정에서 그래도 한 번 쯤은 들어보셨을 귀여운 '슈뢰딩거의 고양이'도 나옵니다.

* 본 포스팅은 18년도 9월 모의고사에 나온 개념을 설명하는 포스팅으로, 문제에 대한 분석은 하지 않습니다.

* 과학 개념이 궁금한 학생들만 보세요.

1. 하이젠베르그의 불확정성 원리

양자역학이란 결국 불확정성에 대한 학문입니다.

거시세계, 그러니까 우리가 살고 있는 세계는 관측이 가능한 세계죠.

컵이 왼쪽에 있는지 오른쪽에 있는지, 시계는 어느 방향을 가리키고 있는 지 확인할 수 있습니다.

하지만 미시세계는 다릅니다. 양자역학이 지배하는 미시 세계는 정확한 측정이 불가능합니다.

먼저 '관측'이 어떻게 수행되는지를 알아야 합니다.

관측이란 물체에서 반사된 광양자가 우리의 눈으로 들어오는 과정입니다.

하지만 미시세계의 입자들은 아주 작기에 광양자가 튕겨져 나가는 과정에서도 변화가 일어납니다.

책을 강하게 치면 그 위의 동전들이 뒤집히듯 광양자가 입자를 강하게 치면 입자의 상태에도 변화가 일어나는 것입니다.

빛의 파장이 길다면 위치에 대한 정확도가 떨어지게 되고, 빛의 파장이 짧다면 에너지가 커 운동량을 심하게 변화시키겠죠.

이러한 하이젠베르그의 불확정성 원리는 이후 케나드에 의해 양자적 물체의 위치의 분산과 운동량의 분산의 곱의 최대값이 존재한다고 정리되었으며 수학적으로도 증명된 바 있습니다.

즉, 두 가지 물리적인 변수를 동시에 측정하는 것은 불가능합니다.

2. 슈뢰딩거의 고양이

자, 그래서 우리는 미시세계가 정확한 관측이 불가능하다는 점까지 알게 되었습니다.

그럼 미시세계의 컵은, 시계는 어떤 상태로 존재하고 있는 것일까요?

두 가지 물리적인 변수를 동시에 측정하는 것이 불가능하다는 것은 측정방법의 오류를 의미하는 것이 아닙니다.

두 가지 변수가 확정된 상태가 존재할 수 없는 양자적 특성을 나타내고 있는 것입니다.

미시세계의 입자들은 '중첩' 상태에 있습니다.

쉽게 말해 컵이 왼쪽에 있으면서 동시에 오른쪽에 있는 것이죠.

고양이 이야기로 돌아와봅시다.

붕괴할 확률이 50프로인 방사성 핵이 있습니다. 핵이 붕괴하면 독가스가 나와 상자 속의 고양이는 죽게 됩니다.

관측하기 전까지는 미시세계의 입자들은 '중첩' 상태에 있다고 했습니다.

그렇다면 박스 안, 관측 이전의 핵은 붕괴하면서 동시에 붕괴하지 않았고 독가스도 나왔으면서 동시에 나오지 않아 상자 속의 고양이는 죽어있으면서 동시에 살아있습니다.

슈뢰딩거는 양자의 에너지 상태를 파동함수로 표현하는 슈뢰딩거 방정식을 도입하였는데, 당시 물리학자들이 이를 양자역학의 불확정성 원리를 설명하는 데에 사용하는 것을 못마땅해했습니다.

그래서 위와 같은 상황을 가정하며 "그럼 고양이가 살아있으면서 죽어있다는 게 말이되냐!!"라고 불확정성의 괴이함을 주장했지습니다.

하지만 오늘날에 이르러서는 슈뢰딩거의 고양이가 이 이론의 대표예시가 되었죠.

<참고문헌>

도망친 곳의 책