빛의 이중성, 파동인가 입자인가?

‘이중 슬릿double- slit실험’

(두 개의 구멍을 이용한 실험)

리처드 파인만은 “고전적인 방식으로 설명하기가 불가능한, 절대로 불가능한 현상이다. 이 실험은 양자역학의 핵심을 담고 있다. 실제로 이 실험은 유일한 미스터리… 모든 양자 역학의 기초적인 특질들을 포함하고 있다.”라고 말했다.

이중 슬릿 실험은 양자 역학에서 파동-입자 이중성의 개념을 시연하는 실험 중 하나로, 빛이나 다른 입자들이 두 개의 작은 슬릿을 통과할 때 나타나는 현상을 관찰하는 실험입니다. 이 실험은 물리학자 토마스 영 슬릿 (Thomas Young)이 1801년에 처음으로 수행했으며, 양자 역학의 기초를 이해하는 데 중요한 실험 중 하나로 여겨집니다.

실험 과정은 다음과 같습니다:

광원 설정: 빛이나 입자를 사용하여 실험을 수행합니다. 일반적으로 레이저 빛을 사용합니다.
단일 슬릿 실험: 두 개의 슬릿 중 하나를 가리고 나머지 하나만을 이용하여 빛이나 입자를 슬릿에 통과시킵니다. 이때 화면에 나타나는 모양을 관찰합니다. 물결로서의 특성을 확인하기 위한 단일 슬릿 실험이 포함됩니다.
이중 슬릿 실험: 이번에는 두 개의 슬릿 모두를 열어서 빛이나 입자를 통과시킵니다. 그 결과로 화면에 나타나는 빛의 간섭 현상을 관찰합니다.
간섭무늬 관찰: 이때, 두 슬릿을 통과한 빛이나 입자가 화면에 만드는 간섭무늬를 관찰합니다. 이 간섭무늬는 파동의 특성으로 설명되며, 파동의 크기가 합쳐지거나 상쇄되는 현상이 나타납니다.
입자적 특성 확인: 반대로, 빛이나 입자가 슬릿을 통과할 때 입자적인 특성이 나타나기도 합니다. 즉, 입자가 어느 위치에 도착할지를 결정하는 입자적 특성이 관찰됩니다.

이 실험에서 가장 놀라운 점은 입자가 파동적이거나 입자적일 때 나타나는 현상을 관찰할 수 있다는 것입니다. 이는 양자역학에서 물질의 이중성을 나타내는 중요한 실험 중 하나로 인정받고 있습니다. 실험 결과로 나타나는 간섭무늬는 파동성을 나타내고, 입자적 특성은 입자가 특정 위치에 도착하는 것을 나타냅니다. 이러한 이중성은 양자역학의 핵심 이론 중 하나이며, 물리학적 현상을 설명하는데 있어서 현상상태 해석이 필요합니다.

이중 슬릿 실험은 빛이 파동이라는 것을 ‘증명’한다고 교과서에서 가르친다.

광전효과

그러나 20세기 초, 또 다른 종류의 실험은 빛이 입자들의 흐름처럼 행동한다는 거을 보여주었다. 이 실험은 빛광선을 그 ㅁ속 표면에 쬐었을 때 이로부터 전자들이 빠져나오는 현상인 광전효과 photoelectric effect에 관한 것이었다. 방출된 전자들의 에너지를 측정해보니 쪼인 빛의 색깔이 같으면 전자의 에너지는 늘 같음이 드러났다. 밝은 빛을 쬐면 더 많은 전자가 방출되었지만 여전히 이 전자들은 서로 동일한 에너지를 가지고 있었고, 이 빛이 더 약해질 경우 방출되는 전자의 수는 줄어들었지만 이 전자들 역시 동일한 에너지를 갖고 있었다. 이와 같은 현상을 빛은 입자라는 측면에서 설명한 사람이 아인슈타인이었다.

광전효과는 빛이 물질 표면에 충돌할 때 전자를 방출하는 현상을 말합니다. 이 현상은 1905년에 알버트 아인슈타인에 의해 처음 설명되었으며, 이는 양자역학의 초석 중 하나로 간주됩니다. 광전효과는 광전압, 광전류, 그리고 광전자 등의 현상과 관련이 있습니다. 아인슈타인은 이 연구를 통해 광전자의 에너지가 양자화된 것이라는 중요한 개념을 도출하였습니다.

광전효과의 주요 특징과 개념은 다음과 같습니다:

광전효과 원리: 광전효과는 빛의 입자적 성질을 나타냅니다. 빛은 광자라는 입자(빛의 입자적 성질)로 구성되어 있고, 이 광자가 물질의 표면에 충돌하면 전자가 튀어나가는 현상입니다.
전자 방출: 물질 표면에 충돌한 광자의 에너지가 일정 임계값을 넘으면, 표면에 있는 전자들이 물질을 떠날 수 있습니다. 이때 방출된 전자를 광전자라고 합니다.
광전압: 광전압은 광전자들이 떠난 후 남은 물질에 전위차가 생기는 현상을 말합니다. 이 전위차는 외부 회로에 연결되어 전기 에너지로 변환될 수 있습니다.
최소 광자 에너지: 특정 물질에서 광전효과가 발생하려면 빛의 일정한 최소한의 에너지가 필요합니다. 이 최소한의 에너지를 광전효과의 일크릿점(threshold)이라고 부릅니다.
빛의 물성에 따른 영향: 광전효과는 빛의 빈도(색)에 따라 영향을 받습니다. 빛의 주파수가 증가하면 광전자에너지도 증가하며, 더 많은 전자가 물질에서 방출됩니다.

광전효과는 양자역학의 중요한 실험 중 하나이며, 이를 통해 빛이 입자성을 가지고 있으며 물질과 상호작용하는 방식을 이해할 수 있게 되었습니다. 이는 아인슈타인의 광전효과 이론을 통해 양자역학의 기초를 확립하는 중요한 발전 중 하나입니다.

아인슈타인은 광자가 나르는 에너지의 양은 빛의 색깔에 의존하지만 색깔이 같을 경우 모든 광자는 동일한 에너지를 갖는다. “이를 설명하는 가장 단순한 개념은 광양자가 그 전체 에너지를 단일한 전자에게 전달한다는 것이다.” 빛을 더 세게 하는 것은 그저 더 많은 수의 광자(광양자)를 제공할 따름이며, 각각의 광자는 전자들에게 동일한 에너지를 준다.

그러나

빛을 입자라고 본다면, 어떻게 두 개의 구멍 실험을 설명할 수 있다는 말인가?

조지 톰슨 George Thomson

전자들이 파동임을 증명한 공로로 노벨상을 받다

조지 톰슨은 1927년에 제안된 루이 드 브로글리의 파동-입자 이중성 이론을 실험으로 검증하기 위해 전자가 파동이라는 개념을 탐구하는 실험을 수행한 것으로 알려져 있지 않습니다. 오히려 그의 아들인 조지 톰슨이 전자가 파동으로 행동할 수 있다는 가설을 실험으로 검증한 것이 더 유명합니다.

더브로이 파동가설에 대한 실험 (1937, 조지 톰슨 아들):

배경: 더브로이 파동가설은 입자뿐만 아니라 입자도 파동 형태로 행동할 수 있다는 것을 주장하는 양자역학의 중요한 개념 중 하나입니다.
실험 내용: 조지 톰슨의 아들은 빛을 이용하여 전자의 파동성을 검증하는 실험을 수행했습니다. 그는 전자를 일련의 정밀한 격자 구조에 통과시킴으로써 입자가 파동으로 굴절되는 현상을 관찰하였습니다.
결과: 이 실험에서 전자는 파동과 유사한 굴절 패턴을 나타냄으로써 입자가 파동적인 특성을 가지고 있다는 것을 시사했습니다.

이 실험은 양자역학에서 입자의 파동성에 대한 중요한 지원을 제공했으며, 양자역학은 입자뿐만 아니라 빛이나 전자와 같은 입자도 파동-입자 이중성을 가질 수 있다는 현상을 기초로 합니다.

파동- 입자 이중성wave-particle duality이라 알려진 이 퍼즐은 1920년대 이후 계속 양자역학의 의미를 이론화하는 데에서 핵심을 차지했다.

단일 전자 이중 슬릿 회절 실험

1974년, Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli, 그리고 Giulio Pozzi는 파동-입자 이중성에 대한 흥미로운 실험을 수행했습니다. 이 실험은 양자역학에서의 핵심적인 이슈 중 하나인 양자상호작용에 대한 아이디어를 제시하는 데 사용되었습니다. 이 실험은 중성 입자인 중성 파이 메소네트론을 사용하여 수행되었습니다.

실험의 주요 내용과 결과:

빔 구성: 실험은 중성 파이 메소네트론 비스트림을 사용했습니다. 중성 파이 메소네트론은 중성 입자로, 전하를 가지고 있지 않습니다.
결험 설치: 실험 설치에는 강한 자기장이 적용되었습니다. 이 자기장은 입자의 스핀을 조작하고 방향을 변경하는 데 사용되었습니다.
강한 자기장 적용: 중성 파이 메소네트론이 자기장을 통과하면 그들의 스핀이 정렬되고, 그들의 전자적 특성이 변화합니다.
빔이 스크린에 도달: 강한 자기장을 통과한 중성 파이 메소네트론은 스크린에 도달합니다. 이때 강한 자기장의 영향을 받은 입자의 스핀 방향에 따라 그들이 빔 스크린에 어떻게 찍히는지를 관찰합니다.
관찰된 결과: 결과적으로 특정 스핀 방향을 가진 중성 파이 메소네트론이 스크린의 특정 위치에 찍히는 것을 관찰했습니다. 이는 입자가 파동적인 성질을 가진다면 기대되는 결과와 다르게 나타났습니다.

결론 및 의의: 이 실험은 두 가지 결과를 강조했습니다. 첫째, 중성 파이 메소네트론이 입자로서의 특성을 나타내며 입자의 스핀 방향이 영향을 미친다는 것을 확인했습니다. 둘째, 양자 역학에서의 측정의 개념에 대한 의문을 제기했습니다. 이러한 결과는 양자역학에서의 “측정 문제”에 대한 이해를 도울 수 있는 중요한 실험 중 하나로 간주됩니다.

이 실험에서는 한번에 하나의 전자를 발사하되 여유있는 간격으로 발사시켰다. 전자 발사 장치와 탐지 스크린 사이의 거리는 10미터였고 각각의 전자는 앞서 출발한 전자가 이미 목적지에 도착한 이후에야 비로소 출발했다. 실험을 통해 순차적으로 수천 개의 전자들이 발사되었을 때 이들이 탐지 스크린 위에 간섭무늬를 만들었다. 만약 개별 입자들이 물 분자들이 무늬를 만들기 위해 상호작용하는 것과 동일한 방식으로 서로 상호 작용했다면, 이는 시간과 공간 모두에 걸쳐 일어난 것이다. 빛의 이중 슬릿 실험과 동일한 실험에서 전자들을 한 번에 하나씩 발사하면 각각의 전자는 탐지 스크린 위에 하나의 빛 방울을 만든다. 그러나 이러한 방울들은 시간이 지남에 따라 마치 자신들이 파동인 것처럼 간섭 무늬를 형성한다.

2008년 포치는 한단계 더 나아간 실험을 한다. 얇은 스크린에 나노 크기의 구멍을 뚫어 진짜 물리적인 이중 슬릿을 만든 뒤, 여기에 전자를 한번에 하나씩 통과시켜 다른 편에 있는 스크린에 탐지되도록 실험ㅇ르 설계했다. 탐지 스크린에 도착한 전자들은 간섭무늬를 형성했다. 그러나 이탈리아 연구팀이 두 구멍 중 하나를 막고 실험ㅇ르 재개했을때는 간섭이 나타나지 않았다. 이는 전자가 입자처럼 행동할때 예상되는 패턴이었다.

그런데 이 실험에서 스크린에 뚫린 구멍을 홀로 이동하는 각각의 전자는 어떻게 근처에 이동 가능한 다른 구멍이 있으며 그것이 열려 있는지 닫혀 있는지 ‘알’고 그에 따라 차후 경로를 조정하는 걸까?

이 다음 단계로 나아가는 실험은 이론적으로 명백했다. 그러나 실제로 구현하는 것은 어려웠다. 그것은 전자가 이동하는 나노 크기의 두 구멍을 전자들이 이동 중일때 열거나 닫을 수 있는 장치를 마련하는 것이었다. 전자들이 출발한 이후 실험 장치를 변경함으로써 전자들을 속일 수 있ㅇ르까?

이와 같은 도전을 받아들인 것은 독일 태생의 헤르만 바텔란Herman batelaan이 이끄는 미국 연구팀이었다.

Herman Batelaan | Person | Fetzer Franklin Fund — Herman Batelaan

실험 물리학자들은 금으로 도금한 실리콘 막에 두개의 구멍을 만들었다. 막의 ‘두께’는 100나노 미터였고 도금한 금의 두께는 2나노 미터였다. 각 구멍의 너비는 62나노미터였으며, 길이는 4마이크로미터였다.(1나노미터는 10억 분의 1 미터이고, 1마이크로미터는 100만 분의 1미터다) 나란한 두 구멍은 서로 272나노미터 떨어져 있었고(한 구멍의 중심에서 다른 구멍의 중심까지 측정했을때), 이 중요한 새로운 장치에는 자동 장치(압전 소자 구동기piezoelectric acuaator)를 통해 구동되는 작은 셔터가 있어 막을 가로지르며 이쪽 혹은 저쪽 구멍을 막을 수 있었다.

실험에서 전자들은 초당 한 개의 비율로 장치를 통과했으며 스크린에 패턴이 형성되는 데 2시간이 걸렸다. 실험의 전 과정은 비디오로 녹화되었다. 여러 차례 실험을 반복하면서 연구팀은 두 구멍이 모두 열려 있는 경우, 하나의 구멍이 닫혀 있는 경우, 한 구멍을 막고 있다가 다른 구멍을 막기 위해 셔터가 움직이는 경우에 무슨 일이 일어나는지를 관측했다. 예상했던 것처럼 두 구멍 모두 열려있ㅇ르때는 간섭무늬가 형성되었으나 나머지 두 경우에서는 간섭무늬가 형성되지 않았다. 이탈리아 및 일본에서 수행된 실험들에 의해 드러난(혹은 입증된) 모든 미스터리와 더불어 이번에도 전자들은 몇개의 구멍이 열려 있는지 ‘알’고있는 듯 보였다. 각각의 전자들은 자신이 장치를 통과하는 시간에 정확히 실험이 어떻게 설정되어 있는지뿐만 아니라 이전의 전자에게 무슨 일이 있었고 이후의 전자에게 무슨 일이 일어날지를 ‘아는’ 것 같았다.

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