상보성의 원리란?

[유토피아]

지금 현대물리학의 양대산맥은 양자역학과 상대성이론이다.

 이 두가지는 우리가 일상생활을 하면서 몸으로 느끼기 어려뿐 아니라,

우리가 생활하는 공간과 전혀 다른 물리법칙들이 존재하는 공간이다.

우선 상대성이론에 의하면 시간공간 물질, 속도들이 하나로 통일되어 있다는 것이다.

말그대로 절대적인 존재가 없다는 것인데....

인간은 역으로 절대적인 존재로만 생각하였다.

에너지는 물질이되고 온도가 되고 일종의 순환론이다.

물론 상대적인 순환론인데 자기멋대로 변화하는 것이 아니라  일정한 법칙이 작용한다.

우주적이 법칙도 여러가지로 순환하는데 중력이 작용하고 운동하면서 변화하고 오고가고 회전하고 자전하고 어디론가 흘러가고 하지만 그러한 과정에서도 불변하는 법칙이 작용한다.

열역학법칙과 중력운동 빛의속도 범위에서 이루어진다. 

양자역학이란  원자보다 작은 세계를 탐구하면서 발견한 이론으로써, 거시적인 세계가 아닌 미시적인 세계를 지배하는 원리이다.

그러므로, 일반인들 뿐 아니라 물리학자들 조차도 이 두가지는 완벽히 이해할수 없는 부분이다.

즉, 우리가 이 두가지를 완전히 이해하지 못한다고해서 전혀 창피해할 일이 아니라는 것이다.

이 글에서는 양자역학에 관해서만 다뤄보자

<출처 : http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=3124>

이 이론은 우리가 생활하는 공간과는 너무나도 다른 공간이여서

옛날부터 인간들은 이 작은 세계를 설명할수 없다라는 말까지 나올정도였다.

하지만, 실제로 현재 우리는 그 작은 세계를 많은 부분 설명할수 있게 되었고, 현재 과학의 많은 발전을 이룩할수 있게 되었다.

그러나, 물리학에 대한 엄청난 지식이 없는 우리같은 경우

이러한 양자역학이 우리에게 어떠한 영향을 미쳤고, 과연 양자역학이란 것이 무엇인가를

이해하는 것은 정말어렵다. 뿐만 아니라 과학자들조차도 어려운것이다.

양자역학이란 정말 난해한 학문이라고 말할수 있을것이다.

<양자역학의 한가운데 존재하는, 상보성의 원리>

이렇게 난해한 양자역학의 한가운데에 상보성의 원리가 존재한다.

이 원리는 보어가 주장한 것이다

어떤 물리적 계의 한 측면에 대한 지식은 그 계의 다른 측면에 대한 지식을 배제한다.”

이제부터 이 말이 무슨말인지, 구체적으로 알아보자.

<상보성의 원리 (1) : 위치-운동량의 불확정성>

위치-운동량의 불확정성은 바로 전 글에서 소개를 하였다.

여기서 잠깐 소개하자면 이렇다.

우리는 물체를 눈으로 보기 위해서는 빛이 물체에서 반사되어 우리눈에 들어와야만 한다.

그리고, 이러한 물체의 위치를 더 정확히 알기 위해서는 정확도를 높히기 위하여 파장은 짧고

진동수가 높은, 즉 높은 에너지의 빛을 이용하여야 한다.

이것은 원자 보다 작은 세계에도 고스란히 적용이 된다.

우리는 전자를 볼수 있는 현미경으로 전자를 관측하려고 한다. 전자의 위치를 더 정확히

관찰하기 위해서는 에너지가 큰 빛을 사용하면 된다. 그러나, 에너지가 큰 빛은 전자의 운동량을 변화시킬 수

있는 것이다. 즉, 전자의 위치를 정확하게 측정하고 싶으면 전자의 운동량은 더욱더 부정확해 지는 모순이 생긴다.

이것이 상보성의 원리의 예중에 하나이다.

양자역학처럼 미시의 세계에서는 위치를 정확하게 알면 운동량은 정확하게 측정할수 없다.

<상보성의 원리 (2) : 입자-파동의 이중성>

<출처 : http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=3124>

우리는 생활속에서 빛의 현상들을 살펴보면 빛은 파동의 성질을 가지고 있음을 알수 있다.

빛의 간섭등 교과서에서도 종종 등장하는 현상들이다. 그리고 이것은 맥스웰이 빛은 전자기의 파동인,

전자기파임을 발견하였다.

그러나, 아인슈타인의 광전효과같은 현상들은 빛을 입자라는 사실을 증명해주는 실험이였다.

결국, 빛은 파동성과 입자성을 모두 가지고 있다라는 결론이 내려졌다.

여기서, 상보성의 원리가 고스란히 적용된다.

앞에서 언급했던 빛의 간섭과 광전효과를 살펴보자.

파동성을 입증해 보였던 간섭효과에서는 입자성이 전혀 보이지 않았다.

반면, 입자성을 입증해 보였던 광전효과에서는 파동성이 전혀 보이지 않았다.

즉, 이러한 점이 빛의 파동성과 입자성은 상보성의 원리를 따른다는 사실을 알수 있다.

<상보성의 원리 (3) : 블랙홀의 딜레마>

비교적 최근에는 상보성의 원리가 블랙홀에도 적용되었다. 블랙홀은 중력이 너무나 세기 때문에 빛조차도 그 속에서 빠져나올 수 없는 시공간의 영역이다. 블랙홀에는 지평선이 있어서 이 선을 넘어가면 그 어떤 물체도 다시 되돌아올 수 없다. 그 지평선을 사상의 지평선(혹은 사건의 지평선, Event horizon)이라고 한다.

A가 블랙홀의 지평선을 향해 움직이고 있고, B는 지평선 밖, 블랙홀에 대해 정지된 위치에서 이 현상을 관찰하고 있다고 생각해 보자. A의 입장에서는 그냥 자유낙하하고 있기 때문에 아무런 변화가 없다. 지평선을 지나는 것조차 느끼지도 못한다. 이는 마치 지구 중력장 속에서 자유낙하할 때는 아무런 힘을 느끼지 못하는 것과 똑같다. 그러나 B는 전혀 다른 현상을 목격할 것이다. 우선 A가 지평선 가까이 다가감에 따라 A의 시간은 점점 느려진다. 이는 중력이 점차로 세어지기 때문이다. 이 때 A의 시계만 느린 것으로 관측되는 것이 아니라 A와 관련된 모든 것이 느려진다. 마침내 A가 지평선에 도달하게 되면 B는 A의 시계가 영원히 멈춘 것으로 관측한다. 뿐만 아니라 블랙홀의 지평선 근처는 무척 뜨겁다. 지평선 바로 안쪽에서는 빛을 포함해서 그 어떤 입자도 탈출할 수 없다. 반면 지평선 바로 밖에 있는 입자는 매우 높은 에너지를 가져야만 블랙홀의 중력을 벗어나 지평선 안으로 빨려 들지 않을 것이다. 비록 B에 도달하는 빛의 에너지가 약하더라도 그 빛이 지평선 근처에서는 무척 높은 에너지였음에 분명하다. 블랙홀의 지평선 바로 바깥 영역은 이처럼 높은 에너지의 입자들로 가득하다. 따라서 B가 보기에 A는 이 영역을 지날 때 온몸이 타버릴 것이다.

블랙홀에 빠지는 사람과 관찰자 사이의 딜레마도 상보성의 원리로 설명된다. < 출처: Nasa>

만일 A가 사람이라면 B는 A가 지평선에 도달하는 순간, 발부터 서서히 타들어가는 현상을 보게 될 것이다. 또 B가 보기에 A의 신체 그 어떤 일부도 지평선을 넘어가는 일은 결코 일어나지 않는다. 반면 A 자신에게는 지평선이 물리적으로 아무런 의미가 없는 가상의 선에 불과하다. 물론 A가 블랙홀에 가까이 도달하면 그의 몸은 발과 머리 사이의 중력의 차이로 인해 짓이겨질 수 있다. 하지만 그것은 점차 일어나는 현상일 뿐, 사상의 지평선을 넘어가는 순간 극적으로 일어나는 일은 아니다.

어떻게 이런 일이 가능할까? 지평선을 지나가는 A는 지평선을 지나갔는지조차도 모르고 그냥 자유낙하할 뿐이다. 반면 B는 A가 지평선에 다가감에 따라 모든 현상이 느려지며 뜨거운 불기둥에 다 타버리는 현장을 목격하게 된다. 언뜻 보기에 모순인 이 현상을 스탠포드 대학의 물리학자 서스킨드(Leonard Susskind 1940~)는 상보성의 원리로 설명했다. 블랙홀의 지평선은 물리적인 단절을 의미한다. 지평선의 이쪽과 저쪽에 있는 사람들은 서로 의사소통을 할 수가 없다. 그래서 누구라도 지평선의 이쪽에 있거나 혹은 저쪽에 있거나 둘 중의 하나일 수밖에 없다. 이는 마치 입자가 파동의 성질이나 혹은 입자의 성질 가운데 한 가지만 드러낼 수밖에 없는 경우와 같다.

<상보적 원리의 핵심, 물리적 양상은 OR로 구현한다>

앞에서 상보성의 원리를 이해시키기 위한 보여준 2가지 예를 생각하여보자.

2가지의 예의 공통점은 <이럴수도 있고 저럴수도 있고>라는 것이다.

이러할 때는 저러하지 않는데 저러할때는 이러하지 않는다.

빛이 파동성을 가질때는 입자성을 띠지 않는데 입자성을 띨때는 파동성을 띠지 않는다.

정확한 위치를 알수 있을땐 정확한 운동량을 알수 없는데, 정확한 운동량을 알수 있을땐 정확한 위치를 알수 없다.

그러나, 항상 명심할 것이 있다.

상보성의 원리는 우리의 일상생활에서 보기 힘들다.

(볼수도 있고 못볼수도 있습니다. 저는 이부분에 대해 정확히 모르기 때문에

그래서 그냥 보기 힘들다라고 얼버무렸습니다.)

양자역학에서 중요하게 다뤄지는 원리인 것이다.

(양자역학말고도 다른분야에서도 중요하게 다뤄질수도 있고 없을수도 있습니다.)

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