<호기심의 과학-유재준> 사용설명서
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자연과학 책(특히 물리나 수학)은 왜 어렵게 느껴질까요? 아마도 익숙하지 않아서고, 먹고사는 것과 상관없기 때문이겠지요. 그래도 시궁창속에 살면서도 가끔은 하늘을 보아야 하듯, 자연과학 책은 실체의 핵심이 무엇인지 궁극적인 질문을 해 나가기에 가끔씩은 관심을 두는 의미에서 바쁜 일상 속에서 책을 읽는다고 할 수 있는데, 그 마저도 시간이 없거나 이해하기 힘들어서 엄두조차 내기 힘든 분들이 있어서 백북스는 그런 분들을 위해 전공분야 교수님들을 모시고 한 달에 한 번 강연을 진행하고 있습니다. 2월 24일은 서울대 물리 천문학부 유재준 교수님의 <호기심의 과학>입니다. 전자와 양성자, 빛의 물리학과 양자 세계가 어떻게 서로 얽혀 있는지 이유와 근거를 알기 쉽게 소개하고 있습니다. 이 책을 읽고 표준모형의 세계를 소개한 <신의 입자>나 <젭토스페이스> 등 그 외의 현대 물리학 책들을 읽으면 훨씬 친근하게 다가갈 수 있습니다.
한 달에 한 번은 숭고한 경이로움의 세계로!
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입자의 위치와 운동량은 동시에 정할 수 없다.
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“결과적으로 빛을 이용하든 전자를 이용하든 원자 크기의 작은 입자는 그 모양을 제대로 측정하기가 어렵다. 원자크기의 모양을 측정하기 어렵다는 말은 사실 전자의 위치를 정확히 파악하지 못한다는 말이기도 하다. 그렇다면 전자의 위치는 왜 파악하기 어려운 걸까? 전자의 위치를 정확히 측정하려면 빛의 파장은 짧을수록 좋다. 그러나 빛의 운동량은 파장에 반비례하여 커지기 때문에 짧은 파장의 빛을 쓰면, 빛과 전자가 충돌한 후 빛의 운동량 일부가 전자로 옮겨져 전자가 움직이게 된다. 반사된 빛으로부터 빛과 전자가 충돌했던 위치는 알 수 있지만, 전자는 이미 움직여 다른 위치에 있기 때문에 전자의 지금 위치는 파악할 수 없다. 반대로 충돌 과정에서 운동량 전달을 최소화하면 빛의 운동량을 작게 하면 좋은데 작은 운동량의 빛은 빛의 운동량에 반비례하여 파장이 길어진다. 전자의 위치를 얼마나 정확히 측정하느냐는 파장의 길이에 좌우되기 때문에 충돌 후 전자의 움직임은 줄어들지 몰라도 파장의 길이가 늘어난 만큼 위치의 불혹정성은 커져 버린다.
베르너 하이젠베르크는 전자의 위치를 정확히 측정하지 못하는 이유가 단순히 측정 도구의 정확도의 문제에 있다기보다는 ‘충돌이라는 속성을 갖는’ 측정 과정 자체의 본질적인 성질 때문이라고 보았다. 그래서 빛을 이용해 전자의 위치를 측정하는 과정에 나타난 현상처럼 입자의 위치와 운동량은 동시에 정확히 결정할 수 없다는 불확정성의 원리를 제시하였다. 측정 도구로 사용하는 빛 알갱이와 충돌했을 때, 빛의 운동량에 영향을 받을 정도의 질량을 가진 입자는 불확정성 원리의 영향이 크기 때문에 위치와 운동량을 정확히 결정할 수가 없다는 것이다. 현대 물리학에서는 전자처럼 작은 입자의 위치와 운동량은 그 위치나 운동량이 동시에 정해질 수 없다는 원리를 말하고 있는 것이다. 전자처럼 작은 입자의 경우 그 위치가 정확히 정해지지 않는다는 것은, 다시 말해 하나의 입자가 두 개 이상의 위치에 동시에 있을 수 있다는 것을 뜻한다. 이렇게 보면 위치의 불확실성을 띤 전자의 속성은 오히려 공간에 퍼진 파동의 성질에 부합한다. 입자가 파동의 성질을 역설적인 설명이 가능한 것이다. 이런 입자와 파동의 이중성은 양자라는 새로운 개념을 탄생시켰다.“ <호기심의 과학> 중에서
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