이중슬릿(Double-Slit) 실험(양자역학으로 가는길)

여러분 이중슬릿(double-slit)이라는 실험을 들어보셨나요?

 

이중 슬릿 실험은 정말 간단해 보입니다.

금속판에 두 개의 슬릿을 자르고 빛을 통해 먼저 일정한 파동으로, 그 다음에는 개별 입자로 보냅니다.

하지만 그 결과는 결코 간단하지 않습니다. 이 실험은 양자 역학을 향하는 놀라운 길이었습니다.

이중슬릿 실험

 

파동 속에 입자

1800년대 초, 대다수의 과학자들은 빛이 파동이 아닌 입자로 이루어져 있다고 믿었습니다. 영국 과학자 토마스 영은 입자 이론이 이야기의 끝이 아니라는 것을 직감했고 빛이 파동이라는 것을 증명하기 시작했습니다. 그는 파동이 예측 가능한 방식으로 상호작용한다는 것을 알았고, 만약 그가 빛과의 상호작용을 증명할 수 있다면, 그는 빛이 실제로 파동이라는 것을 증명할 수 있을 것입니다. 그래서 그는 실험을 시작했습니다: 그는 금속판에 두 개의 구멍을 내고 그것들을 통해 스크린에 빛을 비췄습니다.

만약 빛이 정말로 입자들로 만들어 진다면, 시트에 부딪힌 입자들은 튕겨져 나가고 구멍을 통과한 입자들은 스크린에 페인트를 뿌리는 것과 같은 두 개의 슬릿 이미지를 만들 것입니다. 하지만 만약 빛이 파동이라면, 그것은 매우 다른 일을 할 것입니다: 일단 그들이 틈새를 통과하면, 광파는 퍼져나가서 서로 상호작용할 것입니다. 파도가 정면으로 마주치는 곳에서, 그들은 서로를 강화하고 화면에 더 밝은 부분을 남깁니다. 그들이 정면으로 만난 곳에서, 그들은 서로를 취소하고, 화면에 어두운 부분을 남겼습니다. 그것은 양쪽에 점진적으로 어두운 슬릿 모양의 "Echo"로 둘러싸인 매우 밝은 슬릿 모양의 "간섭 패턴"을 생성할 것입니다. 아니나 다를까, 그렇게 됐어요. 빛은 파도를 타고 이동했습니다. 

20세기가 바뀔 무렵, 몇몇 과학자들이 이 아이디어를 다듬기 시작했습니다. 막스 플랑크는 빛과 다른 종류의 방사선은 별개의 양으로 온다고 제안했고, 알버트 아인슈타인은 입자처럼 행동하는 빛의 "양자"인 광자의 아이디어를 제안했습니다. 결과적으로, 그는 빛이 입자이자 파동이라고 말했습니다.

 

다시 이중 슬릿 실험으로 돌아가보죠. 빛이 입자라면 간섭 패턴 대신 스프레이 페인트로 칠한 스텐실 패턴을 만들 것이라고 했던 것을 기억하십니까? 특별한 도구를 사용함으로써, 여러분은 실제로 구멍을 통해 빛 입자를 하나씩 보낼 수 있습니다. 하지만 과학자들이 이것을 했을 때, 이상한 일이 일어났습니다.

 

 

 

간섭 패턴이 여전히 나타납니다.

 

 

 

이는 매우, 매우 이상한 일이 벌어지고 있음을 시사합니다. 광자들은 만약 그들이 파도 속에 있다면 어디로 갈지 "알고" 있는 것처럼 보입니다. 마치 극장 관객들이 좌석 배정 없이 나타났지만, 각자가 극장을 올바르게 채우기 위해 선택해야 할 정확한 좌석을 알고 있었던 것과 같습니다.

 

이것은

 

 

"이 입자들의 모든 가능한 경로가 실제로는 가능한 경로 중 하나만 발생하더라도 서로 간섭할 수 있다"

 

 

는 것을 의미합니다.

 

 

모든 현실은 최종 결과가 발생할 때까지 한 번에 존재합니다.

더 이상한 것은 과학자들이 각 광자가 통과하는 슬릿을 결정하기 위해 각 슬릿에 탐지기를 배치했을 때, 간섭 패턴이 사라졌다는 것입니다. 그것은 광자를 관찰하는 바로 그 행위가 그러한 많은 현실을 하나로 "붕괴"한다는 것을 암시합니다.

 

모든 것은 확률이다.

 

실제로, 이러한 현상은 우주가 어떻게든 누군가가 보고 있는 것을 "알고" 은유적인 양자 동전을 뒤집어서 그 입자가 어떤 틈을 통과했는지를 보는 것을 의미합니다. 이중 슬릿을 통해 더 많은 개별 광자를 쏠수록 광자 검출기가 광자를 50% 탐지하는 데 더 가까워집니다. 동전을 10번 뒤집으면 70%의 시간을 얻을 수 있고 100번 뒤집으면 55%의 시간을 얻을 수 있고 10억번 뒤집으면 50.0003%의 시간을 얻을 수 있습니다.

즉, 우주가 관찰자를 관찰하고 있을 뿐만 아니라 이중 슬릿을 통과하는 물체의 양자 상태가 확률의 법칙에 의해 지배된다는 것을 보여주는 것으로 보이며, 이는 물체의 양자 상태가 무엇이 될 것인지를 확실하게 예측하는 것을 불가능하게 만듭니다.

 

 

 

정말 놀랍지않나요? 그것은 과학자들에게도 해당되는데, 이것이 양자 역학이 현대 과학에서 가장 뜨겁게 논의되는 분야 중 하나인 이유입니다.