「보는」것으로 「현실이 바뀐다」? : 이중 슬릿 실험
Quantum Physics
지난번 '원격 치유‘의 실현 가능성(*1)'에 이어 이번에도 '양자물리학'에 대한 이야기입니다. 우리가 '상식'으로 이해하고 있는 것은 고전 물리학(뉴턴역학)입니다. 사물은 무게가 있고, 모양이 있고, 운동하거나 정지해 있습니다. 예를 들어, '어떤 사과가 있으면 누가 어디서 보더라도 똑같이 같은 모양, 같은 크기의 사과가 있다'는 것은 고전 물리학적으로 '당연하다'는 것이고, 누구도 이의를 제기할 사람은 없을 것입니다.
하지만 양자 물리학의 세계에서는 '어떤 사과가 세 개나 네 개로 쪼개지기도 하고, 보는 사람에 따라 형태가 없는 주스가 되기도 하고, 다시 원래의 세 개로 돌아가기도 하는' 기이한 현상이 일어납니다. 이를 보여준 것이 이른바 '이중 슬릿 실험(*2, *3, *4, *5)'이라고 불리는 것입니다. 이번에는 기초적인 부분부터 최신 지식까지 설명합니다.
실험편 - 빛과 전자는 '입자'인가 '파동'인가?
이중 슬릿 실험은 '두 개의 슬릿(틈새)을 통해 빛을 스크린에 투사하면 어떻게 비치는가?라는 실험입니다. 만약 '파동'의 성질을 가진다면 그림 1A의 수면 위의 세 개의 슬릿에 파동을 발생시킨 경우처럼 서로 간섭을 일으켜 그림 B와 같이 스크린에 '줄무늬'가 보일 것입니다. 반면 빛이 '직진하는 입자'라면 그림 C/D의 컴퓨터 CG처럼 스크린에는 슬릿과 비슷한 모양의 '두 개의 선'이 비춰질 것입니다.
결과는 바로, 그림 C와 같이 '줄무늬'가 비춰졌습니다. 이는 '빛'에 국한되지 않고 '전자'라는 미립자를 이용한 실험에서도 비슷한 현상이 확인되었습니다(*2). 빛이나 전자가 단순히 '직진하는 입자'라면 슬릿 투영 부분보다 바깥쪽으로 퍼지는 줄무늬를 설명하기 어려워집니다. 따라서 '적어도 빛이나 전자는 파동과 같은 성질을 가지고 있다'는 것으로 이 현상을 설명할 수 있습니다.
빛과 전자는 순수한 '파동'인가?
만약 이들이 순수한 '파동(진동, 에너지)'이라면 그 크기는 '0'에서 '무한대'까지 연속적인 값을 보여야 합니다. 반면 이것들이 '입자'로서의 성질을 가진다면 '최소 단위의 작은 입자'로서 고유한 에너지 값을 가져야 합니다. 이 성질을 찾아낸 것이 바로 도수 실험입니다. 음파처럼 순수한 진동의 에너지라면 작게 줄여도 '무한히 0에 가까워지는' 성질을 가지고 있습니다(그림 왼쪽). 이를 빛의 에너지로 측정하고, 필터를 겹겹이 쌓아 최소에 가까워지면 그림 오른쪽 아래처럼 아무리 빛의 양을 줄여도 '더 이상 내려가지 않는 최소 에너지량'이 나옵니다. 이는 빛의 최소 단위 입자로서 '광자(광자: photon)'가 존재한다는 것을 보여줍니다. 이는 빛을 순수한 '에너지의 파동'으로 정의하면 도저히 설명할 수 없는 현상입니다.
빛과 전자는 '입자'? 아니면 '파동'?
지금까지의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 빛은 보통 이중 슬릿에 투영하면 '파동'과 같은 성질을 보이고, 극미세 단위까지 구하려고 하면 '입자'로서의 성질을 보입니다. 고전 물리학의 사고방식으로는 "어느 쪽이 진리인가?"라는 이야기가 됩니다. 혹은 "물 분자도 엄청난 양에 따라 액체 상태의 물이나 파동을 형성하듯이, 광자도 숫자가 모이면 파동의 성질을 나타내는 것이 아닐까?" 등 고전물리학적인 추론도 성립할 수 있을 것 같습니다. 그렇다면 다음과 같은 의문이 생깁니다.
빛이나 전자를 한 개씩 이중 슬릿에 투사하면 어떻게 될까?
방금 전과 같이 '어쩌면 빛의 빛은 수많은 광자가 상호작용하여 거시적인 파동의 성질을 나타내는 것일지도 모른다'는 가설을 검증하기 위해서는 '그렇다면 광자(전자)를 한 개씩 이중 슬릿에 투사하면 어떻게 될까'라는 생각에 이르게 됩니다. 그림과 같이 빛은 광자(전자)를 개 단위까지 분리할 수 있습니다. 이 상태에서 슬릿을 통과시키고, 그 뒷면에는 '광자 1개씩만 검출할 수 있는 검출기'를 설치합니다. 아마 연구자들 중에는 그림 D와 같이 '슬릿과 같은 모양의 두 개의 선'이 출현할 것으로 예상한 사람들도 많았을 것입니다. 하지만 결과는 그림과 같이 나타났습니다.
'입자'인데 간섭의 '줄무늬'가 출현?
놀랍게도, 1개씩 광자를 조사했음에도 불구하고 일반 빛으로 이중 슬릿을 투영했을 때와 같은 '줄무늬'가 나타난 것입니다. 이 현상을 정리해 보면, '광자는 1개씩 조사되었다(동시에 궤도상에 2개가 존재하지 않는다)', '1개의 광자에 대해 검출기에도 1개의 광자가 검출되었다', 즉 '즉 출발점도 1개의 입자로 종착점도 1개의 입자'임이 확인된 것입니다. 그런데도 불구하고, 2개의 슬릿에서 발생한 파동이 서로 간섭하는 듯한 '줄무늬'가 나타났다는 것입니다.
이 결과에서 알 수 있는 것은 광자는 비록 1개라도 '입자의 성질'과 '파동의 성질'을 동시에 가지고 있다는 가능성을 보여줍니다. ('입자와 파동의 성질을 동시에 가진다'는 고전물리학의 개념으로는 파악할 수 없는 상태입니다).
광자는 좌우 어느 쪽의 슬릿을 통과했을까?
광자를 한 개씩 이중 슬릿에 조사했더니 줄무늬가 나타났습니다(그림 A'). 고전물리학적인 사고방식을 고집한다면, 광자는 항상 1개씩 조사되었기 때문에 '오른쪽 슬릿만 광자가 통과한 투영과 왼쪽 슬릿만 광자가 통과한 투영을 합성하면 이중 슬릿의 투영상이 되어야 한다'고 합니다(그림 5 B/B' 예상). 그런데 실제로 한쪽을 막고 '한쪽 슬릿에만 광자를 쪼였더니 그림 5 C/C'와 같이 '줄무늬는 사라지고 굵은 띠 모양의 분포'를 볼 수 있었습니다.
고전 물리적으로 생각하면 '광자는 한 개씩 반드시 양쪽 슬릿을 통해 스크린에 투사되어 줄무늬를 만들었어야 하는데, 한쪽만 통과할 수 있게 했더니 줄무늬가 사라졌다'는 것입니다. 그렇다면 '간섭무늬가 형성되려면 통과하지 않은 다른 쪽 슬릿도 있어야 하는가'라는 이상한 의문이 생깁니다.
이중 슬릿에서 광자가 어느 쪽을 통과했는지 관찰하면?
이전 실험에서 '어느 한쪽 슬릿을 막으면 줄무늬가 사라진다'는 결과에서 '슬릿을 막지 않고 광자가 어느 쪽을 통과했는지를 관찰하면 어떻게 될까?'라는 실험이 진행되었습니다. 그 결과 그림과 같은 결과가 나왔습니다. 지금까지의 실험에서는 그림 6(c)와 같이 간섭에 의한 줄무늬를 볼 수 있었던 반면, 이중 슬릿을 그대로 두고 '슬릿을 통과하는 전자를 관찰'한 결과, 그림 6(d)와 같이 '줄무늬가 사라졌다'는 것입니다. 또 한 번 더 불가사의한 현상이 일어났습니다. 같은 공정을 '관찰'한 것만으로 '현실의 결과가 달라진' 것입니다.
해석편 - 먼저 '빛은 입자인가 파동인가?라는 점에 대해 설명하겠습니다.
독자 여러분도 이미 생각이 유연한 분이라고 생각하지만, '광자는 입자이기도 하고 파동이기도 하다'는 대답에 이의를 제기할 사람은 없을 것입니다. 다시 말해 '양자의 세계에서는 1 개의 고체 사과가 형태가 없는 주스의 상태가 되기도 하고, 다시 1 개의 사과로 돌아가기도 하고, 동시에 두 가지 상태가 되기도 한다'는, 더 이상 고전물리학으로는 설명할 수 없는 상태를 유지하고 있습니다.
다음으로 '줄무늬가 나왔을 때, 광자는 어떻게 슬릿을 통과했을까?'
현재 유력한 설로는 '1개의 광자가 일정한 확률로 오른쪽과 왼쪽의 슬릿을 모두 통과했다'고 할 수 있습니다. 다른 말로 "슬릿을 통과할 때 광자는 1개의 좌표에 존재하는 1개의 점으로만 존재하는 것이 아니라 파동처럼 퍼져 확률분포로 표현되는 공간적인 퍼짐을 가지고 있었다", 즉 "어떤 1개의 광자는 60%는 오른쪽을 통과하고 40%는 왼쪽을 통과했다"는 현상도 일어날 수 있습니다. 따라서 '1개의 광자가 슬릿을 통과할 때, 공간적 확장성을 가지고 다른 슬릿에서 동시에 나온 자기 일부와 간섭하여 줄무늬를 형성했다'고 설명할 수 있습니다. 이렇게 '1개의 광자가 어느 쪽을 통과했는가?라는 고전물리학적인 관점에서는 영원히 해결되지 않는 현상이라고 할 수 있습니다.
그렇다면 '슬릿을 통과하는 광자를 관찰하면 왜 줄무늬가 사라졌을까?
이는 슈뢰딩거의 고양이 비유처럼 '물질은 관찰되기 전까지는 여러 상태를 일정한 확률로 유지하지만, 관찰됨으로써 하나의 상태로 수렴한다'고 할 수 있습니다. "슬릿을 통과할 때 광자는 관측되기 전까지는 파동으로 통과했지만, 관측을 통해 광자는 '입자'의 상태가 되었다"는 것이다. 그 결과, '1개의 광자가 1개의 슬릿을 통과한 것과 같은 현상'이 되고, '파동의 성질을 잃은 결과 줄무늬도 사라졌다'는 설명이 대략적이지만 현재로서는 유력한 설명으로 여겨지고 있습니다.
다만 이 '관측'이라는 단어의 정의가 매우 모호합니다. 계측기를 설치한 시점인지, 계측기의 스위치를 켠 시점인지, 모니터를 사람이 인지한 시점인지, 사람이 '관찰하겠다'고 의도한 시점인지, '어느 시점에서 광자가 입자에 수렴하는가'는 정확히 미해결 상태라고 할 수 있습니다. 다만 적어도 그림과 같이 '광자가 슬릿을 통과하는 순간을 관찰하면 발생한 현상이 변화했다'는 것은 틀림없는 사실입니다.
자세한 설명은 생략하지만, 양자 역학에서 어떤 입자의 공간적 확산 등을 파동함수 등을 이용하여 관측함으로써 파동함수가 수렴한다는 해석을 '코펜하겐 해석(7) 또는 표준 해석'이라고 부르는 것 같습니다. 한편 파동함수의 수렴이 일어나지 않고 서로 다른 세계로 갈라진다는 '다세계 해석(*8)', 인간의 의식이 양자에 영향을 미친다는 '의식 해석(*9)', '양자 데코히어런스(*10)'라는 개념 등 여러 가지 해석이 존재하니 관심 있는 분은 찾아보시기 바랍니다.
최신편
이 이중 슬릿 문제에 대해 오스트리아-프랑스-일본 히로시마 대학 등 공동 연구팀의 최신 연구 결과가 2022년 3월에 발표되었습니다(11). 여기에는 중성자가 사용되고 있지만, '기존의 관측이라는 행위에서 발생하는 모든 편견을 최소화하는' 방법을 실현하기 위해 그림자 검출기와 같은 매우 큰 규모의 장치를 사용하고 있습니다. 역시 이 검증의 결과로는 '단순히 1개의 입자가 1개의 슬릿을 통과하는 것이 아니라, 1개의 입자가 일정한 비율로 1개의 슬릿을 동시에 통과하고 있다'고 말할 수 있을 것 같습니다(자세한 내용은 원저를 참고하세요 *11, *12). 물론 아직 미해명된 부분도 있지만, 한 가지 해석을 뒷받침해 주고 있습니다.
결론
여기서 중요한 점은 '우리가 그것을 관찰하려고 할 때' '입자는 이전의 불확정 상태에서 확정적인 상태로 변화를 일으킨다'는 것이 밝혀졌습니다. 반대로 말하면 '우리가 입자에 대해 관찰하려고 할 때 발생하는 모든 간섭을 제거하기 위해서는 그림자처럼 큰 규모의 장치가 필요하다'고 할 수 있습니다. 아마도 '우리 주변에 보편적으로 존재하는 모든 입자'도 '우리가 의식하지 않는 동안에는 '모든 가능성을 내포한 불확정 상태'로 존재하지만, '우리가 그것들에 의식을 집중할 때, 그 입자들은 불확정 상태에서 하나의 확정적인 상태로 형태를 바꾼다"는 것이 "광자든 전자든 중성자든 모두 성립하는 현상"이라고 할 수 있습니다.
그리고 위에서 언급한 소립자뿐만 아니라 60개의 탄소 원자로 이루어진 축구공과 같은 풀러렌이라는 큰 분자에서도 '이중 슬릿 현상'이 관찰되고 있습니다(*13, *14). 이는 단일 소립자뿐만 아니라 '큰 구조를 가진 분자의 상태에서도 그 구조를 유지한 채 양자역학적 상태 변화를 일으킨다'는 것을 시사합니다.
이 '명상'을 주제로 한 글에서 '이중 슬릿 문제'를 다룬 이유는 '양자역학과 의식의 관계'에 있습니다. '의식하는 것'과 '현실 세계의 변화'의 연관성은 고전 물리학적으로는 '상관없고, 일어날 수 없는 일'로 여겨져 왔을지도 모릅니다. 하지만 이번처럼 양자역학에서는 "충분히 일어날 수 있는 일"이라고 생각됩니다. 지난 글에서도 "'세포 사진'에 양자 에너지를 보낸 것만으로 수천 킬로미터 떨어진 배양세포가 활성화된다(*15, *1)"는 고전물리학으로 설명할 수 없는 현상이 양자 기술로 입증된 것처럼, 양자 역학에서는 우리의 상식이 통하지 않습니다.
이런 점에서 우리가 평소에 의식하지 않는 부분에 의식을 집중하면 현실에 변화를 일으킬 수 있을지도 모릅니다. '과학'과 '인간의 의식'은 좀처럼 연결되기 어려운 영역이지만, '양자 역학'에서는 이러한 상호작용도 인정하지 않을 수 없다는 것이 밝혀지고 있습니다. '내면에 의해 외부 세계가 변화하는가?라는 것은 명상의 한 주제이지만, 명상에 의한 '아직 밝혀지지 않은 현실화 메커니즘'에 있어서는 '양자 역학'이 어떤 열쇠를 쥐고 있을지도 모릅니다.
저자: Takuma Nomiya l 번역: Sim Min Aa
Profile
Takuma Nomiya 의사・의학박사
임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.
https://www.researchgate.net/profile/Takuma-Nomiya
https://scholar.google.com/citations?user=DGtJE_kAAAAJ&hl=ko&oi=ao
*기존 양자물리학 기사 보러가기
https://brunch.co.kr/magazine/quantumphysics
인용문
출처: NewLife Magazine_명상, 뇌, 행복 호르몬… 의학 시선의 진짜 이야기
*1. “원격 치유”는 과학적으로 증명할 수 있는가?
https://brunch.co.kr/@newlifekorea/12 (Korean ver.)
https://note.com/newlifemagazine/n/n349ffafbd715 (japanese ver.)
*2. Jönsson C (1974). Electron diffraction at multiple slits. American Journal of Physics, 4:4-11.
*3. 이중 슬릿 실험: Wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/二重スリット実験
*4. 이중 슬릿 실험(Youtube)
https://www.youtube.com/watch?v=vnJre6NzlOQ
*5. 단일 광자에 의한 영의 간섭 실험 (하마마츠 포토닉스/1982년)(Youtube)
https://www.youtube.com/watch?v=ImknFucHS_c
*6. 타니무라 쇼고 : 간섭과 식별의 상보성 - 불확정성 관계와의 관계를 둘러싼 논쟁 소사(小史). 수리과학(사이언스사) 2009년 2월호 (Vol.47-2, No.548) pp.14-21
*7. 코펜하겐 해석：Wikipedia https://ja.wikipedia.org/wiki/コペンハーゲン解釈
*8. 다세계 해석: Wikipedia https://ko.wikipedia.org/wiki/다세계 해석
*9. 양자역학의 관측 문제에 대해 https://tmcosmos.org/taka/think/kansoku.html
*10. 양자 데코히어런스: Wikipedia https://ko.wikipedia.org/wiki/양자 데코 히어런스
*12. "이중 슬릿 실험에서 하나의 입자가 두 개의 경로로 나뉜다, 히로시마대학 확인 https://news.biglobe.ne.jp/it/0506/mnn_220506_4874634060.html
*13. Arndt, Markus, et al. "Wave-Particle Duality of C60 molecules." Nature, v. 401, 1999, pp. 680-682.
*14. 풀러렌：Wikipedia, https://ja.wikipedia.org/wiki/フラーレン
*15. Peter C Dartsch, Effect of 90.10. Quantum Entanglement on Regeneration of Cultured Connective Tissue Fibroblasts. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. September, 2021, Volume 38, 5, pp 3084 021.38 .006227
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