리서치 불확정성 원리

뉴턴 역학과 결정론 

 

1932년, 불과 31세의 나이로 노벨 물리학상을 수상한 베르너 하이젠베르크는 독일의 이론물리학자로, <불확정성 원리>라는 양자세계의 근본적 측정 한계를 지적하였다.

불확정성 원리는, 간단히 말하자면 원자의 운동상태를 정확히 측정하는 것은 ‘원리적으로 불가능’하기 때문에 불확정할 수 밖에 없다는 뜻이다.

이게 무슨 말일까? 일단 이해하기 쉬운 뉴턴역학으로 시작해보자. 뉴턴역학에서는, 세상의 모든 물체는 운동상태(위치와 운동량)을 가지며, 이를 정확히 안다면, 이후의 운동상태를 예측할 수 있다.

즉, 날아가는 야구공의 정확한 현재 위치와 속도를 안다면, 앞으로 야구공이 어떻게 움직일지 계산 가능하다는 것이며, 나아가 훨씬 복잡한 계산이 되겠지만 떨어지는 낙엽이 어떻게 나풀거리며 뒹굴게 될지도 예측할 수 있다는 뜻이다.

이를 확장해 나아가면, 세상의 모든 물체는 원자로 되어 있고, 모든 원자의 운동상태를 예측할 수 있다면 – 생물체의 세포 하나하나 모두 원자로 되어 있으므로 -인간의 생각과 행동까지도 모두 예측할 수 있는 셈이 된다.

이 말은 세상의 모든 것은 이미 ‘운동역학적’으로 예측 가능하다는 뜻이며, 모든 것은 (운명적으로가 아니라) ‘역학적으로’ 결정되어 있다는 의미이다.

이로부터 ‘결정론’이라는 세계관이 나왔으며, 근대 물리학자들에게 절대적 지지를 받았으며 철학자들에게는 자유의지라는 것이 존재하는가, 하는 고민을 안겨주었다.

‘결정론’에 대해 듣고 난 나폴레옹이 물리학자 라플라스에게 “.. 모든 게 인과적으로 결정되어 있다면, 신의 역할은 도대체 무엇인가?” 하고 묻자,

라플라스는 “폐하, 더 이상 신이란 가설은 필요 없습니다.‘라고 답했다고 한다.

물론 이론적인 가능성일 뿐이다. 우리는 세상의 모든 원자는 커녕, 당구공 하나의 운동상태를 정확히 측정하기도 어렵다. 거의 유일하게 결정론적 예측이 유용한 분야는 천문학이다.

거대한 천체의 움직임은 미세한 외부 영향력에 둔감하기 때문에, 매우 정확하게 천체의 움직임을 측정하고 예측할 수 있다.

이론적일 뿐이라고는 하나, 모든 것이 결정되어 있는 것은 사실인가? 뉴턴역학의 필연적 귀결인 결정론에 대한 반격은, 역시 뉴턴역학을 박살낸 양자역학으로부터 나왔다.

불확정성 원리

안이 보이지 않는 맨홀 속에 있는 토끼의 움직임(방향과 속도)을 측정한다고 생각하자.

우리는 막대를 이용하여 토끼의 위치를 추정할 수 있다. 긴 막대를 맨홀을 통해 넣어 단단하게 세우고 손으로 잡고 있으면, 토끼가 움직이다 막대에 부딪히는 것을 감지할 수 있다.

그런데 막대를 너무 헐렁하게 흔들리도록 잡고 있다면, 토끼가 어느 정도의 힘으로 부딪혔는지 느끼기가 어렵다.

그러나 단단하게 잡으면, 토끼가 어느 정도 힘으로 충돌했는지는 알지만, 어느 방향에서 충돌했는지는 알기 어렵다. 중간정도의 힘으로 잡으면 어떨까?

그러면 방향과 힘을 둘 다 어느 정도 불확실하게 알 수 있게 된다.

이는 측정방법의 한계가 아니라, 양자라는 미시세계에서의 본질적인 측정 한계이다. 서로 대칭을 이루는 두 가지 속성의 오차의 곱은 0이 될 수 없다.

위치와 운동량, 시간과 에너지의 곱은 언제나 플랑크상수보다 크다는 것이 불확정성 원리이다.

– 이는 모든 원자의 운동상태로부터 이후 상태를 예측할 수 있다는 결정론을, 원리적으로부터 불가능하다는 것을 의미한다.

좀 더 간단히 얘기하자면, ‘정보를 얻으려는 행위 자체가 정보를 변질시킨다’

리서치의 딜레마

리서치의 불확정성원리가 있다. 고객의 성향을 알아내고자 조사하는 순간, 조사하는 행위가 고객의 행동에 영향을 끼치기 때문이다.

관찰조사의 경우에도 마찬가지이다.

관찰조사는 고객에게 영향을 미치지 않지만, 우리가 원하는 정보를 충분히 얻지 못한다.

반면에 시선추적이나 뇌파와 같은 생체신호 측정, 또는 인터뷰, 설문조사 등의 경우에는 원하는 정보를 추출할수 있지만, 고객들에게 대답을 요구하는 순간, 고객의 대답은 변질되어 버린다.

비슷한 경우가 실험에서도 발생하는데, 우리가 환경을 통제하면 할수록 보다 정확한 신뢰로운 실험이 되지만, 실제상황과는 점점 멀어지게 되어 타당성이 떨어진다.

매대 위치의 시선 유도성을 측정하기 위해 컴퓨터 화면으로 구성된 매대 영상으로 시선추적 시뮬레이션을 수십 회 반복하면 매우 신뢰로운 결과를 얻을 수 있다.

– 하지만 이것이 자연스러운 쇼핑 상황인가? 말하자면, 우리는 정확한 측정과 자연스러운 상황을 둘 다 얻을 수 없다.

다른 상황에서도 변질은 발생한다. 우리는 두 광고의 효과를 비교하고 싶다. 첫 번째 광고를 보고 의견을 물을 순 있다.

하지만 두 번째 광고를 보는 경우엔 이미 피험자는 변질되어있기 때문에, 첫 번째 광고를 본 다음만큼 깨끗한(?) 상태라고 할 수는 없을 것이다.

ERP실험

아인슈타인은 초기에 양자역학에 반대하면서, 특히 운동상태를 결정할 수 없다는 불확정성원리를 격파하기 위해 고심하였다. 그러다가 ERP(아인슈타인-로젠-포돌스키의 약자)실험이라는 사고(思

考)실험을 제안하였는데, 간단히 말하면 ‘쌍둥이 토끼를 찾아서, 막대 두 개로 속도와 위치를 각각 따로 알아 낸다’는 것이다.

물론 쌍둥이 토끼는 방향만 반대이고, 완벽하게 똑같이 움직인다.

– 결론적으로는 이 ERP실험이 불확정성 원리를 타파하지는 못하였다. 하지만 리서치에 이와 같은 원리를 도입해보는 건 어떨까?

관찰 트래킹 인터뷰는 비슷한 방식으로 리서치의 불확정성을 감소시킬 수 있을 것이다.

매장에서 고객의 행동을 관찰한다고 치자. 이는 비접촉 관찰이므로, 고객의 행동에 영향을 주지 않는다.

만약 고객이 물건을 집어드는 순간, 우리가 중간에 끼어들어 물어보기 시작한다면 고객의 행동은 오염되고 말 것이다.

하지만 CCTV로 녹화하고 있었다면 어떨까? 우리는 쇼핑을 마치고 나온 고객에게 양해를 구하고, 녹화된 장면을 다시 틀어보며 그 과정에 대해 설명해 달라고 할 수 있을 것이다.

쌍둥이 토끼 대신 카메라의 영상을 이용하는 셈이지만, 동의 받지 않고 촬영된 자신의 쇼핑장면을 보면서 친철히 응답해 줄 고객을 찾기는 쉽지 않을 것 같다.

다시 뉴턴역학으로

일상생활에서, 우리는 축구공의 속도와 위치를 어느 정도 정확히 측정할 수 있다.

축구공의 운동상태를 측정하는 데는 불확정성원리가 적용되지 않는데, 축구공은 어마어마하게 많은 수의 원자로 구성되어있기 때문에 더 이상 양자역학적 법칙을 적용할 필요가 없기 때문이다.

간단히 말하자면, 커다란 물체는 거시적인 통계의 법칙을 따른다.

동전 하나(원자)는 앞면이 나올지 뒷면이 나올지 모르지만, 동전을10억번 던지는 ‘축구공’의 경우엔, 언제나 50%씩의 앞뒷면으로 구성된다. 여기에 불확실성은 없다.

리서치 에도 유사한 원리가 적용된다. 조사 규모가 충분히 크다면, 우리는 통제와 자연스러운 상황 사이에서 별로 갈등할 필요가 없을 것이다.

온갖 변수를 통제한 쇼핑 환경에서 충분히 실험을 한다면 – 아마도 수천명의 피험자가 필요하겠지만 – 자연스러운 상황에서도 노이즈가 모두 제거된, 필요한 요소를 통제한 결과를 얻기가 어렵지 않을 테니까.

비유적인 내용이었지만, 양자 물리학에서의 딜레마와 마케팅 리서치 에서의 딜레마는 유사하다. ‘측정을 정밀하게 하려고 할수록, 측정 대상에게 영향을 미친다’라는 사실은 시선이나 생리측정을 주로 하는 뉴로리서처들에게는 더욱 고민스러운 부분일 것이다.

이러한 이유로 비접촉식 Eye trac ker 등이 개발되어 있으나, ‘불확정성 원리’에 의해 정보의 정밀도가 떨어지고 만다. – 해답은 무엇일까? 인

원수를 늘려서 뉴턴역학의 영역으로 옮아가는 것? 완벽한 비접촉 장치를 개발하는 것? 어느 쪽이든 현재로서는 요원한 일이므로, 우리는 프로젝트의 성격에 따라 이 잡을 수 없는 두 마리의 토끼 사이에서 뛰어다녀야 할 것이다.

 

브레인앤리서치

류기정 팀장