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상대성이론과 함께 현대물리학의 양대 산맥으로 불리는 양자역학. 최근 일본 연구진이 양자역학의 근본원리에 의문을 표시하는 연구 결과를 발표했다는 외신 보도가 나와 큰 관심을 모았다. 하지만 정말 양자역학 이론을 다시 쓸 연구인지에 대해서는 의견이 분분하다.

하세가와 유지 오스트리아 빈 공대 원자및아원자물리연구소 교수와 오자와 마사나오 일본 나고야대 정보과학연구과 교수팀은 양자역학의 토대를 이루는 ‘불확정성의 원리’의 수식을 검증한 실험 결과를 ‘네이처 피직스’ 1월호에 발표했다.

불확정성의 원리는 1927년 독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크가 발표한 이론이다. 움직이는 입자의 위치와 운동량을 결정할 때 두 물리량을 동시에 정확하게 알 수 없다는 내용을 담고 있다. 전자기파를 이용해 위치를 관측하는데, 전자기파가 파동의 성질을 갖고 있기 때문에 위치를 정확하게 측정할 수 없다. 이 불확정성을 줄여 파장을 작게 하면 파장이 입자에 부딪히고, 이 때 발생하는 충격은 입자의 운동량을 변화시켜 불확정성을 높일 수밖에 없다. 즉 둘은 하나의 불확정성을 줄이면 다른 하나의 불확정성이 증가할 수밖에 없는 관계다. 하이젠베르크는 이것을 두 불확정성의 곱이 늘 어떤 고정된 값 이상이라는 부등식으로 표현했다. 이후 이 원리가 양자역학의 일반적인 관측에도 적용될 수 있다는 사실이 밝혀져 양자역학의 근본원리로 여겨지게 됐다.

오자와 교수는 2003년 기존 하이젠베르크의 부등식을 새롭게 해석해 더 보편적인 상황에 적용할 수 있는 새로운 부등식을 만들었다. 식이 사실이라면 불확정성의 곱이 기존보다 작아질 가능성이 생긴다. 입자의 위치와 운동량을 둘 다 정확하게 측정할 수 있다는 뜻이다.

하세가와 교수 팀은 실험에서 먼저 입자(중성자)를 쏜 뒤 일종의 편광 필터를 통과시켜 입자의 스핀을 특정한 방향으로 만들었다. 그 뒤 전자기장을 지닌 필터를 통과시켜 스핀 방향을 변경해 가며 두 번 관측했다. 두 번째 관측에서는 첫 번째 관측에 의한 교란(스핀의 미세한 변화)을 관측했다. 그 뒤 관측 결과 얻은 스핀 각도 등 물리량을 기존의 불확정성 원리 부등식과 오자와 교수의 부등식에 각각 대입해 비교했다.

그 결과 기존 수식보다 오자와 교수의 부등식을 더 만족한다는 결과를 얻었다. 위치와 운동량의 불확정성의 곱을 줄였다는 뜻으로, 위치와 운동량을 둘 다 정확하게 측정할 수 있다는 뜻이다.

국내에서는 “불확정성 원리에 결함 있다”는 뉘앙스의 보도가 나와 다소 성급하게 결론 지은 것이 아니냐는 지적이 제기됐다. 김재완 고등과학원 계산과학부 교수는 “불확정성 원리 가운데 움직이는 입자의 위치와 운동량에 대한 부분을 해석해서 새로운 식을 만든 연구”라며 “의미가 있는 연구지만, 양자역학을 깰 정도의 내용은 아니다”고 말했다.