[양자물리학] 이중 슬릿 실험: 빛은 파동인가 입자인가? (ft.당신의 상식이 깨지는 순간!)

이중 슬릿 실험은 지금까지 수행된 실험 중 가장 기이한 실험 중 하나입니다.

이중 슬릿 실험은 물리학에서 가장 유명한 실험 중 하나이며 확실히 가장 기이한 실험 중 하나입니다. 그것은 물질과 에너지(예: 빛)가 시나리오에 따라 파동과 입자 특성(물질의 입자-파동 이중성)을 모두 나타낼 수 있음을 보여줍니다.

서식스 대학에 따르면(새 탭에서 열립니다), 미국 물리학자 Richard Feynman은 이 역설을 양자역학의 중심 미스터리라고 했습니다. 

우리는 양자 세계가 이상하다는 것을 알고 있지만 2슬릿 실험은 상황을 완전히 새로운 수준으로 끌어 올립니다. 이 실험은 1801년 영국 과학자 Thomas Young이 첫 번째 버전을 처음 수행한 이래로 200년 넘게 과학자들을 당혹스럽게 했습니다.

 

이중 슬릿 실험은 어떻게 작동합니까?

라스 컴브레스 천문대(Las Cumbres Observatory)에 따르면 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 빛이 작은 입자로 구성되어 있다고 생각한 반면 Christian Huygens는 빛을 파동으로 이동하는 것으로 처음 설명했습니다.(새 탭에서 열립니다). 그러나 누가 옳습니까? 영국의 수학자 Thomas Young은 이러한 이론을 시험하기 위해 이중 슬릿 실험을 설계했습니다. 

이중 분할 실험의 진정으로 기이한 특성을 이해하려면 먼저 두 개의 슬릿을 통과할 때 파동과 입자가 어떻게 작용하는지 이해해야 합니다. 

 

파도의 간섭 패턴

1801년 Young이 처음으로 이중 분할 실험을 수행했을 때 그는 빛이 파동처럼 행동한다는 것을 발견했습니다. 

첫째, 평행한 두 개의 슬릿이 있는 벽에 빛을 비추고 간단하게 하기 위해 이 빛의 파장이 하나만 있다고 가정해 보겠습니다. 

빛이 슬릿을 통과함에 따라 각각은 차례로 거의 새로운 광원처럼 됩니다. 디바이더의 반대쪽에서 각 슬릿의 빛은 회절되고 다른 슬릿의 빛과 중첩되어 서로 간섭합니다. 

센서 화면의 단일 파장의 빛에서 생성되는 간섭 패턴은 빛이 파동이라는 증거입니다. Thomas Young은 1801년 처음으로 이중 슬릿 실험을 수행했을 때 이것을 발견했습니다.

 

스토니브룩 대학에 따르면(새 탭에서 열립니다), 모든 파동은 음파, 광파 또는 수역을 가로지르는 파동이든 간섭 패턴을 생성할 수 있습니다. 파동 마루가 파동 골에 부딪히면 상쇄 간섭으로 알려진 서로 상쇄되고 어두운 띠로 나타납니다. 마루가 마루에 부딪히면 보강 간섭으로 알려진 서로 증폭되어 밝은 띠로 나타납니다. 어둡고 밝은 밴드의 조합은 간섭 패턴으로 알려져 있으며 슬릿 반대편의 센서 화면에서 볼 수 있습니다. 

이 간섭 패턴은 Young이 Newton이 제안한 것처럼 빛이 입자가 아니라 파동임을 결정하는 데 필요한 증거였습니다. 

그러나 그것이 전부는 아닙니다. 빛은 그보다 조금 더 복잡하며 그것이 실제로 얼마나 이상한지 알아보려면 입자가 센서 필드에서 어떤 패턴을 만들 것인지 이해해야 합니다. 

 

입자 패턴

동일한 실험을 수행하고 슬릿을 통해 모래 알갱이 또는 기타 입자를 발사하면 센서 화면에 다른 패턴이 표시됩니다. 각 입자는 슬릿을 통과하여 거의 같은 위치에 있는 선으로 끝납니다(입자가 슬릿을 통과하는 각도에 따라 약간의 퍼짐 있음).  

입자는 파도에서 보이는 간섭 패턴과 비교하여 센서 화면에서 매우 다른 패턴을 생성합니다. 여기에서 각 입자는 슬릿을 통과하여 거의 같은 위치에 선으로 끝납니다. 

 

분명히 파동과 입자는 매우 다른 패턴을 생성하므로 둘을 구별하기 쉽겠죠? 글쎄, 이것은 우리가 광자라고 불리는 작은 빛 입자를 사용하여 동일한 실험을 시도하고 수행할 때 이중 슬릿 실험이 약간 이상해지는 곳입니다. 양자 역학의 영역으로 들어가십시오. 

이중 슬릿 실험: 양자 역학

빛의 가장 작은 구성 요소는 광자라고 하는 아원자 입자입니다. 모래 알갱이 대신 광자를 사용하여 원자 규모에서 이중 슬릿 실험을 수행할 수 있습니다. 

슬릿 중 하나를 차단하여 단일 슬릿 실험에 불과하고 센서 화면을 통해 광자를 발사하면 광자는 이전의 모래에 의해 생성된 입자 패턴을 모방하여 센서 화면에 핀프릭 포인트로 나타납니다. 예시. 이 증거로부터 우리는 광자가 입자라고 제안할 수 있습니다. 

슬릿 중 하나를 차단하고 센서 화면을 통해 광자를 발사하면 입자와 관련된 패턴을 모방한 핀프릭 포인트로 나타납니다.  

 

 

자, 여기서 상황이 이상해지기 시작합니다. 

슬릿의 차단을 해제하고 두 슬릿을 통해 광자를 발사하면 빛의 예에서 파동에 의해 생성된 간섭 패턴과 매우 유사한 것을 보기 시작합니다. 광자는 파도처럼 작용하는 한 쌍의 슬릿을 통과한 것으로 보입니다. 

그러나 광자를 하나씩 발사 하고 서로 간섭할 기회가 없을  만큼 충분한 시간 을 두면 입자나 파동처럼 행동하게 될까요?

처음에는 광자가 센서 화면에 무작위로 산란되어 나타나다가 점점 더 많이 발사할수록 간섭 패턴이 나타나기 시작합니다. 각 광자는 그 자체로 화면에 간섭 패턴으로 나타나는 전반적인 파동과 같은 동작에 기여하는 것으로 보입니다.

 

한 번에 또는 하나씩 두 슬릿을 통해 광자를 발사하면 파동과 같은 간섭 패턴으로 센서 화면에 나타납니다.

 

각 광자는 사용 가능한 두 개의 슬릿이 있다는 것을 "인식"하는 것과 거의 같습니다. 어떻게? 두 개로 쪼개졌다가 슬릿 이후에 다시 결합한 다음 센서에 닿나요? 이를 조사하기 위해 과학자들은 광자가 통과하는 슬릿을 알 수 있는 탐지기를 설치했습니다. 

다시, 이전 예에서 했던 것처럼 슬릿에서 한 번에 하나씩 광자를 발사합니다. 검출기는 광자의 약 50%가 상단 슬릿을 통과하고 약 50%가 하단 슬릿을 통과한 것을 발견하고 각 광자가 하나의 슬릿 또는 다른 슬릿을 통과하는지 확인합니다. 거기에는 너무 특이한 것이 없습니다. 

그러나 이 실험에서 센서 화면을 보면 다른 패턴이 나타납니다. 

 

검출기가 켜지면 광자는 센서 화면에 입자와 같은 패턴을 생성합니다. 

 

 

이 패턴은 슬릿을 통해 입자를 발사할 때 본 패턴과 일치합니다. 광자를 모니터링하면 파동에 의해 생성되는 간섭 패턴에서 입자에 의해 생성되는 간섭 패턴으로 전환되는 것으로 보입니다. 

슬릿을 통한 광자의 감지가 센서 화면의 패턴에 분명히 영향을 미치는 경우 감지기를 제자리에 두고 스위치를 끄면 어떻게 될까요? (쉿, 광자에게 우리가 더 이상 염탐하지 않는다고 말하지 마세요!) 

여기서 상황이 정말, 정말 이상해집니다. 

동일한 슬릿, 동일한 광자, 동일한 검출기가 방금 꺼졌습니다. 우리는 동일한 입자와 같은 패턴을 볼 수 있습니까? 

아닙니다. 입자는 센서 화면에 다시 물결 모양의 간섭 패턴을 만듭니다. 

검출기가 꺼지면 광자는 센서 화면에 파동과 같은 간섭 패턴을 만듭니다. 

 

원자는 당신이 보고 있지 않을 때는 파동처럼 행동하지만 당신이 보고 있을 때는 입자처럼 행동합니다. 어떻게? 글쎄요, 당신이 대답할 수 있다면, 노벨상이 당신을 기다리고 있습니다. 

1930년대에 과학자들은 인간의 의식이 양자역학에 영향을 미칠 수 있다고 제안했습니다. 수학자 존 폰 노이만(John Von Neumann)은 1932년 그의 책 " 양자 역학의 수학적 기초 "에서 이를 처음 가정했습니다 . 1960년대에 이론 물리학자 Eugene Wigner는 Wigner의 친구라는 사고 실험을 고안했습니다. 이것은 과학 잡지 Popular Mechanics 에 따르면 실험을 수행하는 사람과 관찰자가 1인칭인 두 사람의 상태를 설명하는 양자 물리학의 역설입니다 . 실험을 수행하는 사람의 의식이 결과에 영향을 미칠 수 있다는 생각을 폰 노이만-위그너 해석이라고 합니다.

양자역학적 행동에 대한 영적 설명은 저자이자 대체 의학의 옹호자인 Deepak Chopra 를 포함하여 소수의 개인이 여전히 믿고 있지만 대다수의 과학 커뮤니티는 오랫동안 이를 무시해 왔습니다. 

좀 더 그럴듯한 이론에 관해서는 과학자들은 당황하고 있습니다. 

게다가, 그리고 아마도 더 놀랍게도, 광자가 이미 센서 화면에 닿은 후 광자가 어느 슬릿을 통과했는지 감지하기 위해 이중 슬릿 실험을 설정하면 여전히 센서 화면에 입자 유형 패턴이 표시됩니다. 광자가 화면에 부딪혔을 때 아직 감지되지 않았음에도 불구하고. 이 결과는 미래에 광자를 감지하는 것이 과거에 센서 화면에서 광자가 생성한 패턴에 영향을 미친다는 것을 시사한다. 이 실험은 양자 지우개 실험으로 알려져 있으며 Fermilab 의 유익한 비디오에서 더 자세히 설명됩니다.

우리는 여전히 물질의 입자-파동 이중성이 정확히 어떻게 작동하는지 완전히 이해하지 못하기 때문에 양자 역학의 가장 큰 미스터리 중 하나로 간주됩니다. 

 

이중 슬릿 실험의 역사

 

영국의 수학자 Thomas Young은 1801년에 이중 슬릿 실험을 처음으로 수행했습니다.  

미국 물리 학회 에 따르면 이중 슬릿 실험의 첫 번째 버전은 1801년 영국의 수학자인 Thomas Young에 의해 수행되었습니다. 그의 실험은 광파의 간섭을 보여주었으며 빛은 입자가 아니라 파동이라는 증거를 제공했습니다. 

Young은 또한 자신의 실험 데이터를 사용하여 다양한 색상의 빛의 파장을 계산했으며 현대 값에 매우 근접했습니다.

빛이 파동이라는 그의 설득력 있는 실험에도 불구하고, 아이작 뉴턴 이 무언가에 대해 틀렸을 수 있다는 것을 받아들이고 싶지 않은 사람들은 영을 비판했습니다. (뉴턴은 빛이 그가 미립자라고 부르는 작은 입자의 흐름으로 구성되어 있다고 가정한 미립자 이론을 제안했습니다.) 

APS에 따르면 Young은 비평가 중 한 사람에 대한 응답으로 "내가 Newton의 이름을 존경하는 한 나는 그가 무오하다고 믿을 의무가 없습니다."라고 썼습니다.

양자 역학이 발달한 이후로 물리학자들은 이제 빛을 입자이자 파동으로 인정하고 있습니다.