"불확정성 원리 결함 발견"…日연구진, 양자역학 새로운 가능성 열어

양자역학의 기본 이론인 '불확정성 원리'가 항상 성립하는 것은 아니라는 연구 결과가 나왔다.

16일 아사히신문 등 일본 언론에 따르면 오스트리아 빈 공대 하세가와 유지 조교수와 일본 나고야대 오자와 마사나오 교수 등은 중성자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 있다는 내용의 수식과 이를 입증하는 실험 결과를 영국 물리학 전문지 '네이처 피직스' 인터넷판에 발표했다.

불확정성 원리는 전자와 중성자 등 미세한 입자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수는 없다는 내용이다. 사람의 눈에 어떤 물질이 보이는 것은 물질에 닿은 빛이 반사해 눈에 도달하기 때문이고, 시간을 두고 관찰하면 물질의 운동량(속도)을 알 수 있다.

다만 빛은 파장이 짧을수록 에너지가 크다는 게 문제다. 입자의 위치를 정확하게 알려고 파장이 짧은 빛을 사용하면 빛이 반사하면서 측정 대상인 입자를 튕겨내기 때문에 원래 속도를 알 수 없다. 속도를 정확하게 재려고 파장이 큰 빛을 쓰면 위치의 정밀도가 떨어진다.

이번 하세가와 조교수 등이 발표한 '중성자 위치와 속도 측정법'은 위치와 속도에 해당하는 중성자의 '스핀'(자전에 해당)이라는 성질의 x성분과 y성분을 측정한 결과 x성분의 측정 오차가 0에 가까워질 때 y성분의 교란이 무한대로 커지지 않고, 1.5보다 약간 작은 수치로 수렴한다는 것을 확인했다.

이는 오자와 교수가 2003년에 만든 '오자와의 부등식'을 실험으로 입증한 것이기도 하다. 오자와의 부등식은 '불확정성 원리가 늘 성립하는 건 아니다'라는 의미를 담고 있다.

한편 전문가들은 "불확정성 원리에 결함이 있다고 해서 양자역학이 틀렸다는 것이 아니라 하이젠베르크의 부등식이 틀렸을 뿐, 양자역학의 새로운 가능성을 열어준 것"이라고 조언했다.

이번 연구결과로 현대물리학 교과서에 실려있는 불확정성 원리와 관련한 내용이 수정될 수 있고, 물리학의 갈래인 양자역학과 관련된 기술 개발에도 큰 영향을 미칠 것으로 전망된다.