양자 역학 / 이중 슬릿 실험

아인슈타인의 상대성이론 이후에 가장 논란이 많은 물리학 이론이 바로 양자 역학입니다. 양자 역학은 이해하기 어렵기로 유명한데요, 이중 슬릿 실험을 통해 양자 역학의 기본 개념을 살펴보겠습니다. 

 

[양자 역학 기초]

양자 역학(quantum mechanics)라는 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른이었습니다. 그전까지 주류 고전역학과는 달리 양자역학은 '원자'의 세계를 다룹니다. 원자는 10의 마이너스 10승의 크기입니다. 눈에 보이지는 않겠죠. 

 

1. 양자(Quantum) 란

양자(quantum / quanta)란 물리량이 취할 수 있는 최소한의 값을 말합니다. 에너지 교환 시 흡수되거나 방출되는 고정된 양의 에너지 혹은 상호 작용과 관련된 모든 개체의 최소 단위 입니다.

 

물리적으로 어떠한 에너지가 움직임을 가질 때, 그 때 입자를 자르고 잘라서 가장 작게 잘랐는 데도 물리적인 움직임이 여전히 관측될 때, 그때 그 제일 작은 최소한의 단위를 '양자'라고 합니다. 

 

 

2. 양자(Quantum) 의 특징

양자는 우리가 2차원 그림으로 그려놓은 작은 공 모양의 구라고 생각하는 것과는 좀 다릅니다. 

 

첫째, 양자는 어떤 공간에서 하나 이상의 영역에 위치할 수 있습니다. 

 

둘째, 이 때 그 양자는 흘러 다니는 파동의 특성을 가질 수도 있고, 어떨 때는 흐르지 않고 입자(particle, 알갱이) 형태 일 수도 있습니다. 

 

셋째, 양자의 위치는 정확히 알 수 있습니다. 다만, 그 위치를 알기 위해서는 반드시 '관찰/관측'이 필요합니다. 그런데 관찰자로 인해 관측되는 순간 파동성은 사라지고 입자만으로 존재합니다. 

 

관찰자가 등장하면 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수 없고, 관측을 하지 않으면 파동성을 회복하고 막 흘러 다닐 수 있습니다. 

 

양자의 위치는 관찰자가 관측 하는 순간 결정되는 것입니다(관찰자 효과). 따라서, 결과적으로, 양자의 현재 위치와 운동성을 동시에 알 수는 없습니다. 이를 양자역학 특징 중 하나인 '불확정성의 원리'라고 합니다. 

 

3. 양자(Quantum) 의 예시

양자의 예 중에 광양자(light quantum)가 있습니다.  

 

빛은 입자 알갱이(particle) 이라고 뉴턴이 주장했습니다. 이후 오랫동안 빛은 입자라고 알고 있었는데요.

토마스 영이 물리학에서 가장 유명한 실험이라고 불리는 이중 슬릿 실험을 통해 빛은 입자 알갱이가 아니라, 파동임을 밝혔습니다. 

 

 

이중 슬릿 실험 : 양자(Quantum) 의 특성을 보여주다

토마스 영(1773-1829)은 1801년 광자의 이중슬릿 실험을 통해 빛은 파동 성질을 가진 다는 것을 증명했습니다. 

만약 빛이 '입자 알갱이' 라면, 앞 슬릿에 있는 두 개의 구멍을 통과해 가면서 일정한 두 줄의 무늬가 생겨야 합니다. 그런데 실제 시험에서는 두 개의 구멍을 통과했음에도 여러 개 줄무늬가 생겼습니다. 

 

이렇게 간섭무늬가 생긴다는 말은, 결과적으로 빛은 퍼져나가는 성질, 즉 '파동'의 성질을 가진다는 것을 뜻합니다. 

 

이해가 안 가시는 분들은, 머릿속에서 잔잔한 호수가에 서있다고 상상하십시오. 그리고 돌을 하나 들어서 던져보십시오. 그럼 잔잔했던 호수표면에 '파동'이 일면서 물이 부채꼴 모양으로 퍼져나갑니다. 

 

이제 돌 두개를 양손에 들고 동시에 호수 표면에 던져봅시다. 양손에서 호수 표면으로 동시에 떨어진 돌은 서로 각자 '파동'을 일으키고, 잔물결 두 개가 각자 부채꼴 모양으로 퍼집니다. 그렇게 퍼지다가 서로 겹치는 부분도 생기겠죠. 

 

그 잔물결 무늬가 저 이중슬릿 실험에서 빛이 통과하여 뒷 벽에 만든 무늬라고 생각하시면 됩니다. 

 

 

자, 이렇게 이중 슬릿 실험을 통해 빛은 '파동'의 성질을 가진다는 것을 알게 되었습니다. 이후 19세기 물리학자들의 연구를 통해 빛은 전자기파(EM)이었음이 밝혀집니다. 

 

 

 

광전효과 : 빛은 '입자'이다 by 아인슈타인

그런데 이후 1905년에 아인슈타인에 의해 다시 빛은 '입자'임이 주장되었습니다. 이 발견으로 아인슈타인은 1921년에 노벨 물리학상 까지 받게 됩니다. 

 

 

 

 

---

결론

결론적으로, 빛은 에너지를 전달하는 파동인 전자기파(EM)인 동시에, 입자이기도 합니다. 

 

이때, 알갱이가 파동모양을 띄고 있구나 라고 생각하시면 안 됩니다. 

'입자=파동'이 아닙니다. 입자이면서 동시에 파동일 수는 없습니다. 

어떨땐 입자 형태를 띠고, 어떨 땐 파동 형태를 띠는 둘 중에 한 가지 상태만 선택적으로 보여줍니다. 

 

 

그럼 이러한 파동-입자 이중성을 가지는 상태를 도대체 뭐라고 불러야 할까요. 

양자(quantum)이라는 용어가 그래서 나타나게 되었습니다. 

 

 

2023.04.10 - [우주] - 양자 역학 / 이중 슬릿 실험 / 물질파 / 코펜하겐 해석