전자의 물리#2
1화에서 우리는 전자를 당구공 같은 입자로 생각했습니다. 이 고전적 모델은 거시 세계의 전기 현상을 설명하는데 아주 유용합니다. 하지만 전자의 진짜 모습을 보기 위해 미시 세계로 들어가면 이 모델은 한계를 보입니다. 미시 세계를 지배하는 양자역학의 법칙은 전자가 우리의 상식과 완전히 다르게 행동한다고 말합니다. 양자 세계에서 입자의 위치나 운동량 같은 속성은 우리가 측정하기 전까지 하나로 명확하게 정해져 있지 않습니다.
전자의 가장 기묘하고 핵심적인 특징은 파동-입자 이중성입니다. 이는 전자가 상황에 따라 입자처럼 행동하고 또 파동처럼 행동한다는 뜻입니다. 이 신비한 성질은 이중 슬릿 실험에서 가장 극적으로 나타납니다.
입자인 야구공을 두 개의 틈이 있는 벽에 던지면 스크린에는 두 줄의 무늬만 생깁니다. 그리고 파동인 물결을 보내면 각 틈을 지난 파동이 서로 간섭하여 여러 줄의 무늬를 만듭니다. 놀랍게도 과학자들은 전자를 한 번에 하나씩 발사했습니다. 그런데 수많은 전자가 쌓인 결과는 파동의 증거인 간섭무늬였습니다. 이 결과는 충격적인 결론을 의미합니다. 즉 관찰되지 않은 단 하나의 전자는 확률의 파동이 되어 두 슬릿을 동시에 통과하고 스스로와 간섭하여 스크린에 도달했다는 것입니다.
이중 슬릿 실험의 기묘함은 여기서 끝나지 않습니다. 과학자들은 전자가 대체 어느 슬릿을 통과하는지 확인하고 싶었습니다. 그래서 슬릿 바로 뒤에 탐지기를 설치했습니다. 그러자 마법처럼 간섭무늬가 완전히 사라졌습니다. 그리고 입자를 던졌을 때처럼 두 줄의 무늬만 나타났습니다.
이것은 양자역학의 가장 깊은 원리 하나를 보여줍니다.
바로 관찰이라는 행위가 결과에 직접 영향을 미친다는 사실입니다. 우리가 전자의 경로를 확인하려는 순간 전자는 더 이상 확률의 파동으로 존재할 수 없습니다. 전자는 어느 슬릿을 통과했냐는 질문에 답하기 위해 모든 가능성의 중첩 상태를 포기하고 하나의 경로를 선택해야만 합니다. 이 현상을 파동함수 붕괴라고 부릅니다.
전자의 파동적 성질은 또 다른 중요한 원리인 불확정성 원리로 이어집니다. 이 원리는 우리의 측정 기술에 한계가 있다는 뜻이 아닙니다. 이것은 자연의 근본적인 속성입니다.
원리는 입자의 위치와 운동량처럼 서로 짝을 이루는 두 속성을 동시에 완벽하게 알 수는 없다는 것을 의미합니다. 하나의 값을 더 정확하게 알려고 하면 할수록 다른 하나의 값은 더 불확실해집니다. 이는 전자의 위치와 운동량이 우리가 모르는 것이 아니고 애초에 동시에 완벽하게 정해져 있지 않다는 뜻입니다. 파동의 본질에서 비롯된 필연적인 결과인 셈입니다.
한줄정리: 전자는 우리가 안 볼 땐 파동, 관찰하는 순간 입자!