거시세계와 미시세계의 구분에서 관측 가능과 불가능에 대해

2022년 개정된 교육과정에 따라 고등학생이 되면 배우는 통합과학 역시 변화가 있는데, 첫 단원의 제일 처음에 자연 세계를 크게 미시 세계와 거시 세계로 구분한다고 나옵니다.

 

여기서, 단순하게 미시 세계를 아주 작은 물체나 현상을 다루는 것으로, 거시 세계를 큰 물체나 현상을 다루는 것으로 구분하며 관측이 불가능하냐, 가능하냐 역시 하나의 기준으로 기술되어 있는데, 당연히 학생들은 이게 무슨 말인가 의아하게 받아들일 수밖에 없으며 미시 세계가 모여서 거시 세계를 이루는 것인데 이 역시 어떤 기준으로 구분이 되는지 의문점을 가질 수밖에 없습니다. 그래서 간략하게나마 여기 적어보려고 합니다.

 

거시 세계가 관측이 가능한 세계라고 설명하는 이유는 뉴턴운동법칙과 같은 고전 역학이 적용이 된다는 뜻으로 받아들이면 됩니다. 이러한 희대의 천재 뉴턴과 아인슈타인이 만들어둔 토대로 다 설명이 되는 것입니다. 관찰과 예측이 가능합니다.

 

반면에 미시 세계는 관측이 불가능한 세계라고 설명을 하는데요, 이 말은 양자역학의 법칙을 이론으로 작용하는 세계라는 뜻입니다. 우리가 원자, 분자, 이온 등의 규모로 넘어갔을 때 친숙하고 합리적으로 알고 있는 고전 역학이 적용이 되지 않습니다. 이를 대표하는 것으로 하이젠베르크의 불확정성 원리를 이야기할 수 있는데, 어떠한 입자의 위치나 운동량 등은 아주 정확하게 측정이 불가능하다는 것으로 간략하게 말할 수 있습니다.

 

그 이유는 우리가 관찰한다는 그 행위 자체가 입자의 상태를 변화시키기 때문입니다. 원자 단위의 아주 작은 입자를 우리가 눈으로 볼 수 있다면, 눈으로 보는 것 자체가 반사된 빛이 우리에게 도달하여야 하는데 그 정도 수준의 입자라면 광자에도 영향을 받으므로 우리가 보는 순간 이미 위치나 운동 상태가 변화된다는 뜻입니다.

 

흔히 많이 언급되는 아주 쉬운 예를 들어보면, 어떤 방에 헬륨이나 수소를 채운 풍선이 둥둥 떠다니는데 빛이 없어 이를 관찰하기 위해서는 손으로 건드려서 위치를 확인하는 방법뿐이라고 해봅시다. 우리가 손으로 이 풍선을 건드려서 위치를 확인하는 순간, 풍선에는 힘이 가해지므로 가속도가 생겨서 운동 상태가 변하게 되고 위치가 변하게 됩니다. 그렇다면 우리는 풍선의 정확한 위치는 알 수 있는 방법이 없죠. 위치를 추측하는 확률만 남게 됩니다. 오직 확률로만 알게 되는 것이죠.

 

일례로 보어의 전자 궤도 모델은 맞지 않고 전자는 원자 내부 어딘가에 확률 분포 형태로, 전자구름 모델로 존재하게 됩니다.

 

덧붙여 이야기하면 아인슈타인은 우리가 존재하는 이 자연 세계를 어떠한 물리양으로 나타낼 수 있다고 생각했기 때문에 확률로 존재하는 양자론을 믿지 않았고요, 또한 미시 세계와 거시 세계의 경계가 되는 그 지점이 어디인가는 아직도 아무도 모른다고 하는 편이 맞겠습니다.