What is the Heisenberg Uncertainty Principle? - Chad Orzel

하이젠베르크 불확실성 원리란? |차드 오라즈(Chad Orzel)

번역: 뿡 뿡 검토: Jeong-Lan Kinser

The Heisenberg Uncertainty Principle is one of a handful of ideas

하이젠베르크 불확정성 원리는 양자물리학에서부터

from quantum physics to expand into general pop culture.

일반적인 팝컬쳐까지 이르는 난해한 개념들 중 하나입니다.

It says that you can never simultaneously know the exact position

그건 사물의 정확한 위치와 속도를 절대로 동시에 알 수 없다고 말하죠.

and the exact speed of an object and shows up as a metaphor in everything

그리고 문학 비평에서 스포츠 실황방송까지

from literary criticism to sports commentary.

모든것은 은유적으로 나타납니다.

Uncertainty is often explained as a result of measurement,

불확정성은 흔히 측정의 결과로 나타나는데,

that the act of measuring an object's position changes its speed, or vice versa.

사물의 위치를 측정하는 행위는 그 속도를 바꾸고, 역(逆)도 같습니다.

The real origin is much deeper and more amazing.

실제 근원은 더 심오하고 더 놀랍습니다.

The Uncertainty Principle exists because everything in the universe

불확정성 원리는 우주의 모든것이

behaves like both a particle and a wave at the same time.

입자와 파동이 동시에 행위하기 때문에 존재합니다.

In quantum mechanics, the exact position and exact speed of an object

양자역학에서, 사물에 대한 정확한 위치와 정확한 속도는

have no meaning.

아무런 의미가 없습니다.

To understand this,

이것을 이해하기 위해서는,

we need to think about what it means to behave like a particle or a wave.

입자 또는 파동처럼 행위한다는 게 무슨 의미인지 생각해야 합니다.

Particles, by definition, exist in a single place at any instant in time.

정의하자면, 입자는 같은 시간에 한 장소에 존재합니다.

We can represent this by a graph showing the probability of finding

우리는 특정한 장소에서 그 사물을 찾을 가능성을 보여주는 것을

the object at a particular place, which looks like a spike,

그래프로 재현할 수 있습니다. 그건 대못 모양인데,

100% at one specific position, and zero everywhere else.

특정한 장소에서는 100%이고, 다른 모든 장소에서는 0%입니다.

Waves, on the other hand, are disturbances spread out in space,

반면에, 파동은 공간으로 퍼지는 외란인데,

like ripples covering the surface of a pond.

연못의 표면을 덮는 잔물결과 같은겁니다.

We can clearly identify features of the wave pattern as a whole,

우리는 선명히 전체적으로 파동 형태의 특징을 식별할 수 있는데,

most importantly, its wavelength,

가장 중요하게, 그 파장은

which is the distance between two neighboring peaks,

두 인접 정점사이

or two neighboring valleys.

또는 인접 골 사이의 거리입니다.

But we can't assign it a single position.

그러나 우리는 한 지점만 할당할 수는 없습니다.

It has a good probability of being in lots of different places.

그것은 다른 여러 장소에 있을 가능성이 높습니다.

Wavelength is essential for quantum physics

파장은 양자 물리학에서 아주 중요한데,

because an object's wavelength is related to its momentum,

사물의 파장이 그것의 운동량인 '질량 X 속도'에

mass times velocity.

관련되기 때문입니다.

A fast-moving object has lots of momentum,

빠른 속도의 물체는 큰 운동량이 있고,

which corresponds to a very short wavelength.

그건 매우 짧은 파장을 의미합니다.

A heavy object has lots of momentum even if it's not moving very fast,

무거운 물체는 그게 빨리 움직이지 않아도 큰 운동량이 있고,

which again means a very short wavelength.

그것은 다시 말해 짧은 파장을 의미합니다.

This is why we don't notice the wave nature of everyday objects.

이건 우리가 날마다 사물의 파동의 본성을 알아차리지 못하는 이유입니다.

If you toss a baseball up in the air,

만약 당신이 야구공을 공중으로 높이 던지면,

its wavelength is a billionth of a trillionth of a trillionth of a meter,

그것의 파장은 1미터의 1조분의, 1조분의, 10억분의 1이고,

far too tiny to ever detect.

너무 작아서 감지하기가 어렵습니다.

Small things, like atoms or electrons though,

원자나 전자처럼 아주 작은것들은

can have wavelengths big enough to measure in physics experiments.

물리 실험에서 측정할 수 있는 아주 큰 파장이 있을 수 있습니다.

So, if we have a pure wave, we can measure its wavelength,

만약 순수 파장이 있으면, 그 파장을 측정할 수 있어,

and thus its momentum, but it has no position.

그 운동량도 측정할 수 있지만 그건 위치가 없습니다.

We can know a particles position very well,

우리는 입자 위치를 아주 잘 알 수 있지만,

but it doesn't have a wavelength, so we don't know its momentum.

파장이 없기 때문에 그 운동량을 알지 못합니다.

To get a particle with both position and momentum,

각 위치와 운동량 모두를 알려면,

we need to mix the two pictures

우리는 두가지의 특징을 섞어

to make a graph that has waves, but only in a small area.

파장이 있는 그래프를 만들려면 단지 작은 영역에서만 해야 합니다.

How can we do this?

어떻게 이렇게 할 수 있을까요?

By combining waves with different wavelengths,

다른 파장을 가진 파동을 합쳐서 할 수 있습니다.

which means giving our quantum object some possibility of having different momenta.

그건 다른 운동량을 가질 가능성을 지닌 양자 물체를 부여하는 것을 의미합니다.

When we add two waves, we find that there are places

우리가 두개의 파동을 추가시키면, 큰 파동을 만들면서 그 정점이

where the peaks line up, making a bigger wave,

정렬하는 곳이 있다는 것과,

and other places where the peaks of one fill in the valleys of the other.

하나의 정점이 다른 골로 채우는 곳이 있다는 것을 알게됩니다.

The result has regions where we see waves

그 결과는, 우리가 보는

separated by regions of nothing at all.

아무것도 없는 구간에 의해 분리된 그 파동의 구간입니다.

If we add a third wave,

우리가 3개의 파동을 추가한다면,

the regions where the waves cancel out get bigger,

파동이 없어지는 구간은 더 커지고,

a fourth and they get bigger still, with the wavier regions becoming narrower.

4번째 파동에서 그것들은 여전히 커지고, 더 파동하는 구간은 좁아집니다.

If we keep adding waves, we can make a wave packet

파동을 계속 추가한다면, 파동 꾸러미를 만들 수 있고,

with a clear wavelength in one small region.

작은 구간에서는 분명한 파장이 있게 됩니다.

That's a quantum object with both wave and particle nature,

그건 파동과 입자 본성을 가진 양자 물체지만,

but to accomplish this, we had to lose certainty

이렇게 하는 데 성공하려면,

위치뿐만 아니라 운동량에 대한 확실함을 포기해야만 합니다.

about both position and momentum.

The positions isn't restricted to a single point.

위치는 한 지점에 제한되지 않습니다.

There's a good probability of finding it within some range

파동 꾸러미 중심의 사정거리내에서

of the center of the wave packet,

그것을 찾을 높은 가능성이 있고

and we made the wave packet by adding lots of waves,

그들 중 어떤 하나와 일치하는 운동량을 가진 그것을 찾을

which means there's some probability of finding it

몇가지 가능성이 있다는 것을 의미하는

with the momentum corresponding to any one of those.

많은 파동을 추가함으로써 파동 꾸러미를 만듭니다.

Both position and momentum are now uncertain,

위치와 운동량은 둘 다 이제 확실하지 않고,

and the uncertainties are connected.

불확실성은 연결됩니다.

If you want to reduce the position uncertainty

더 작은 파동 꾸러미를 만들어 위치 불확실성을

by making a smaller wave packet, you need to add more waves,

감소시키길 원한다면 더 많은 파동을 추가시켜야 하는데,

which means a bigger momentum uncertainty.

그것은 더 큰 운동량 불확실성을 의미합니다.

If you want to know the momentum better, you need a bigger wave packet,

만약 운동량에 대해 더 알기를 바라면, 더 큰 파동 꾸러미가 필요하고,

which means a bigger position uncertainty.

그것은 더 큰 위치 불확실성을 의미합니다.

That's the Heisenberg Uncertainty Principle,

그것이 하이젠베르크 불확실성 원리이고,

first stated by German physicist Werner Heisenberg back in 1927.

1927년 독일 물리학자인 베르너 하이젠베르크에 의해 처음 진술되었죠.

This uncertainty isn't a matter of measuring well or badly,

이 불확실성은 측정을 잘하고 못한다는 문제가 아니라

but an inevitable result of combining particle and wave nature.

입자와 파동을 합치는 것으로의 필연적인 결과입니다.

The Uncertainty Principle isn't just a practical limit on measurment.

불확실성 원리는 단지 측정의 현실적인 한계가 아닙니다.

It's a limit on what properties an object can have,

그것은 한 물체가 가질 수 있는 어떤 성질을 제한하고,

built into the fundamental structure of the universe itself.

우주 자체의 기본구조로 구축된 것입니다.