전자는 입자일까 파동일까

양자역학 - 물질은 파동이다 (2)

이중 슬릿 실험

이중 슬릿 실험은 위상이 동일한 파동이 두 개의 슬릿을 통과한 후 스크린에 도달하는 데까지의 경로차로 인해 간섭을 일으키는 것을 관찰하는 실험이다. 스크린에 간섭무늬가 나타난다면 슬릿을 통과한 것은 파동이라고 볼 수 있다. 두 파동의 간섭에 의해 산과 산이 만나는 부분의 산은 더 높아지고, 골과 골이 만나는 부분의 골은 더 깊어진다. 반대로 산과 골이 만나는 부분은 상쇄 효과를 가져올 수도 있다.

빛을 두 개의 슬릿에 통과시키면 감광판 스크린에 빛의 간섭무늬 띠가 나타난다. 이 실험으로 사람들은 빛이 파동이라는 것을 알았다. 후에 맥스웰은 전자기 파동 방정식으로 빛이 전자기파의 일종인 파동이라고 했고, 그 속도를 계산하였다.

그림. 빛의 이중 슬릿 통과 실험.      출처 : Google

그러면 전자를 두 개의 슬릿에 통과시키면 어떤 현상이 나타날까? 아래 그림과 같이 전자빔을 A와 B 두 개의 슬릿에 통과시킨다. 전자는 입자이므로 당연히 아래 그림과 같이 두 개의 독립적인 띠가 스크린에 나타날 것이라고 예상했다. 그러나, 결과는 매우 충격적이었다. 마치 파동이 슬릿을 통과한 것처럼 스크린에 간섭무늬가 생긴 것이다. 이는 뉴턴의 고전 역학 하에서는 설명할 수 없는 결과였다.

그림. 전자의 이중 슬릿 통과 실험.     출처 : Google

1927년 데이비스-거머는 전자의 이중 슬릿 실험을 조금 더 세밀하게 진행하였다. 전자를 대량으로 한꺼번에 이중 슬릿에 통과시키면 스크린에 간섭무늬가 생기는 것은 확인되었다. 전자가 파동성을 갖는구나 하고 생각하면 이해할 만하다. 다음으로 전자 한 개를 두 개의 슬릿 중 하나에 통과시킨다. 그러면 예상했던 대로 스크린에 전자 한 개가 나타난다. 전자가 입자라는 것을 보여준 것이다. 그러면 전자는 파동성과 입자성을 동시에 갖는 것일까? 이해가 되지는 않지만 실험 결과가 그러하니 그렇게 믿어본다. 이 번에는 전자를 한 개씩 순차적으로 이중 슬릿에 쏘아본다. 전자 하나씩 쏘는 실험을 반복한 것이다. 여기서 더 충격적인 결과가 나타났다. 전자를 하나씩 쏘았으니 당연히 전자는 A 아니면 B 영역에 집중되어야 하는데, A, B 이외의 영역에도 나타났다. 마치 파동이 간섭을 일으킨 것처럼 간섭무늬가 나타난 것이다.

맨 처음 전자 하나를 쏘았을 때는 스크린에 점 하나가 나타났다. 두 번째 전자를 쏘았을 때 스크린에 점 두 개가 나타났다. 100개의 전자를 쏘았을 때 스크린에 점 100개가 나타났는데, 그 형태가 간섭무늬 형태였던 것이다.

전자가 간섭무늬를 나타내려면 전자 하나가 파동의 성질을 가지고 동시에 두 개의 슬릿을 통과해야 한다. 그래야 파동에 의한 간섭을 만들 수 있다. 한 번에 하나의 슬릿을 통과해서는 도저히 발생할 수 없는 현상이다. 여기서 궁금증이 생긴다. 둘 중 어느 슬릿을 통과한 전자가 간섭무늬를 만드는 것일까. 이 번에는 한 개의 전자가 둘 중 어느 슬릿을 통과했는지 센싱을 해본다. 센서를 달아 전자의 궤적을 모니터링하자 더 기괴한 결과가 나타났다. 간섭무늬는 온 데 간데 없이 사라지고, 딱 두 영역에만 전자가 집중되었다. 마치 전자는 입자인 것처럼 행동했다.

그림. 전자 하나씩 쏘는 실험을 반복할 때 전자의 궤적을 센싱 하면 간섭무늬가 사라진다.  출처 : Google

앞의 전자의 이중 슬릿 통과 실험에서의 결론은 다음과 같다. 전자의 궤적을 센싱 하지 않으면 전자는 파동의 성질을 보인다. 전자의 궤적을 센싱 하면 전자는 입자의 성질을 보인다. 양자역학의 본질이 여기에 있다. 관찰(관측) 행위는 물질(입자)의 상태에 영향을 준다. 다시 말하면 미시 세계 입자의 상태를 변화시키지 않고 관측하는 방법은 없다.

양자역학의 발전으로 인해 물리학자들은 모든 물질이 실은 파동이라는 것을 알아냈다. 여기서의 파동은 매질을 떨게 하여 진행하는 소리나 파도와는 약간 결이 다른 파동이다. 하지만 이중 슬릿 실험에서 알 수 있듯이 간섭, 회절 등 파동의 모든 성질을 보인다. 그러면 사람의 몸은 왜 파동의 성질을 보여주지 못하는가 하는 질문을 할 수 있다.

양자역학에 따르면 우주의 모든 물질은 입자성과 파동성을 동시에 가지고 있다. 그 크기가 매우 작으면 파동성이 더 크게 나타나고, 그 크기가 어느 정도를 넘으면 입자성이 더 크게 나타난다. 전자라는 입자가 파동성을 보이는 이유는 그 크기가 너무 작아서이고, 사람의 몸이 입자성을 보이는 이유는 그 크기가 너무 크기 때문이다.