미시세계에서의 법칙?

출처 레프러칸

 

미시세계란 우리 눈에 보이지 않는 아주 작은 세계를 말합니다. 예를 들어 원자핵 속의 양성자, 중성자, 전자 등과 같은 입자들이 존재하는 공간입니다. 이러한 미시세계에서는 에너지 보존 법칙이라는 매우 특이한 물리법칙이 적용됩니다. 이 법칙은 거시세계에서도 성립하지만, 특히 미시세계에서 더욱 뚜렷하게 나타납니다. 그렇다면 왜 어떤 경우에는 에너지는 보존되고, 어떤 경우에는 그렇지 않을까요? 이번 시간에는 양자역학에서의 에너지 보존 법칙에 대해 알아보겠습니다.

 

 

출처 freepik

에너지 보존 법칙이란 무엇인가요?
우리가 살고 있는 거시세계에서는 모든 물체 사이에 서로 작용하는 힘이 있지만, 미시세계에서는 그러한 힘이 없습니다. 따라서 어떠한 일을 하더라도 항상 일정한 양의 에너지가 소모될 뿐이지 결코 증가하지 않습니다. 이것이 바로 에너지 보존 법칙입니다. 즉, “어떤 계(system) 안에서 한 일만큼 다른 계로부터 열 또는 빛 형태로 흡수되거나 방출된다”라는 뜻입니다.

 

왜 어떤 경우에는 에너지가 보존되고, 어떤 경우에는 그렇지 않나요?
위에서 말한 바와 같이 미시세계에서는 ‘모든’ 물질 간에 상호작용이 일어나지 않기 때문에 에너지가 보존되는 것입니다. 하지만 반대로 말하면, 만약 두 개의 물질의 경계면 부근에서 일어나는 현상이라면 어떨까요? 이때는 각 물질의 운동에너지가 교환되면서 결과적으로 전체계의 에너지가 감소하게 됩니다. 이를 슈뢰딩거의 고양이 실험이라 합니다.

 

출처 나무위키

 

양자역학에선 어떻게 에너지 보존 법칙을 증명하나요?
일반적으로 고전역학에서는 외부에서 가해진 힘이 0이면 알짜힘 또한 0이므로 운동량 변화량 역시 0이어야 합니다. 그러나 양자역학에서는 조금 다릅니다. 특정 위치에 있는 입자에게 아무런 영향을 주지 않으면서 동시에 반대 방향으로 똑같은 크기의 힘을 가해주면 입자는 정지 상태나 파동 상태 중 하나로 변하게 됩니다. 다시 말해 확률적으로 결정된다는 것입니다. 이렇게 되면 앞에서 설명한 에너지 보존 법칙이 성립되지 않게 됩니다.

 

 

출처 경향신문

 

그러나 이것이 양자역학에서 에너지 보존 법칙이 완전히 무시되는 것은 아닙니다. 양자역학에서도 평균적으로 에너지는 보존됩니다. 그러나 개별적인 상황에서는 확률적인 요소 때문에 에너지가 일시적으로 증가하거나 감소할 수 있습니다. 이것은 헤이즌베르크의 불확정성 원리와 관련이 있습니다.

헤이즌베르그의 불확정성 원리에 따르면, 한 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알 수 없습니다. 즉, 한 입자의 정확한 위치를 알면 그 입자의 운동량은 매우 불확실해집니다. 반대로, 한 입자의 운동량을 정확하게 알면 그 입자의 위치는 매우 불확실해집니다.

따라서 양자역학에서는 에너지 보존 법칙이 항상 성립하는 것은 아니며, 특정 상태에서만 성립하는 경우도 있습니다. 예를 들어, 일반적으로 에너지는 보존되지만 특정 상태에서는 일시적으로 에너지가 변할 수 있습니다.

결국, 양자역학과 고전 역학 (뉴턴역학) 사이에 있는 차이점 중 하나는 바로 이 '불확정성'입니다. 고전 역학에서 모든 것은 결정론적으로 발생하지만, 양자역학에서는 화살표가 가리키고 있는 방향을 '영향을 받아' 결정합니다.

그래서 '미시세계'라고 하는 이 곳에서 우리가 경험하는 모든 현상들은 결국 화살표와 같은 확률적 요소들에 의해 좌우되며 발생한다고 할 수 있습니다. 이렇게 볼 때, '미시세계'란 곳은 분명 재미있고 독특한 세계일 것입니다.

 

오늘은 미시세계의 에너지 보존 법칙에 대해 알아보았습니다.

사실 양자역학이라는 게 너무 어려운 개념이고 완벽히 이해할 수 없다보니 많이 추상적일 수 밖에 없습니다.

언젠가는 미시세계와 미시세계를 지배하는 양자역학을 100% 이해하는 날이 올거라고 믿습니다.

감사합니다!