양자역학-이중 슬릿 실험(Double-slit experiment)

2개의 슬릿을 통과하면 뒤쪽 스크린에 어떤 무늬가 그려질까?

 양자역학 연구의 시작은 빛이 파동이냐 물질이냐에 대한 답을 찾기 위한 것으로부터 출발했다. 그에 대한 답을 찾기 위해서 어떤 물질이 파동성과 입자성 중에서 어떠한 성질을 지니는지를 알아보기 위한 실험이 이중 슬릿 실험이다.

 

 다시 말해 이중 슬릿 실험은 양자역학에서 실험 대상의 파동성과 입자성을 구분하는 실험인 것이다. 슬릿은 기다란 구멍을 뜻한다. 이 실험은 실험 대상을 이중 슬릿 장치에 통과시키면 그것이 파동이냐 입자이냐에 따라 결과가 달라지는 것을 보여준다.

 

 파동은 회절과 간섭의 성질을 가지고 있다. 회절은 빛이나 파동이 물체의 가장자리나 좁은 슬릿 또는 작은 구멍을 통과하면서 휘어지는 현상을 말한다. 그리고 간섭은 둘 이상의 파동이 서로 만났을 때 만나는 지점에서 파동이 서로 강해 지거나 약해지는 현상을 말한다. 따라서 파동이 직사각형의 기다란 좁은 구멍인 2개의 양쪽 슬릿을 빠져나오게 되면 회절과 간섭이 성질이 작용해 뒤쪽 스크린에 여러 겹의 간섭무늬가 나타난다. 반면에 입자는 회절과 간섭의 성질이 없으므로 여러 겹의 간섭무늬가 나타나지 않고 통과한 좁은 직사각형 모양 그대로 2개의 줄무늬가 나타난다. 이 두 가지 결과의 차이를 통해 실험 대상인 물질이 입자인지 파동인지를 구분하는 실험이 이중 슬릿 실험이다.

 

 이중 슬릿 실험이 어떻게 진행되었고 어떤 결과를 보여줬는지 알아보자.

과학자들은 전자를 수없이 발사한 후 작은 슬릿을 빠져나오면 뒤쪽 스크린에 무늬가 어떻게 그려지는지를 실험했다. 이 실험 결과 파동성을 보여주는 여러 겹의 간섭무늬가 나타났다.

 

 과학자들은 전자들을 동시에 발사하면 이 전자들 사이에서 서로 상호 간섭을 일으키면서 파동의 형태가 나타난 것이라 생각했던 것이다. 이러한 생각이 맞는 것인지 검증하기 위해 두 번째 실험에서는 전자를 하나씩만 발사해서 어떤 무늬가 그려지는지를 실험했다. 그런데 전자를 하나씩만 발사했는데도 파동성을 보여주는 여러 겹의 간섭무늬가 나왔다.

 

 이 실험 결과는 상식적으로 잘 이해되지 않는 일이었다. 왜냐하면 여러 전자들을 동시에 발사하면 전자 간에 간섭이 있어 파동성을 보여주는 무늬가 나타났다고 생각했다. 그런데 왜 입자인 전자를 하나씩만 발사했는데도 파동성을 보여주는 여러 겹의 무늬가 나타나는 것인가 하는 의문이 생겼다. 

 

 전자는 기본 입자로 더 이상 쪼개지지 않는다. 그러면 전자가 쪼개져서 두 개의 슬릿을 통과해 여러 겹의 간섭무늬가 발생한 것인가 하는 새로운 의문이 들었다. 그래서 과학자들은 실제로 전자가 쪼개지는지를 확인하기 위해서 슬릿 앞에 측정 장치를 두었다. 그런데 실험 결과는 더 놀라웠다. 이번에는 전자가 측정 장치가 있다는 것은 인식하기라도 하는 듯이 여러 겹의 파동과 같은 무늬를 나타내지 않고 입자성을 보여주는 두 개의 줄무늬만 나타난 것이다. 측정 장치와 같은 관찰자가 있고 없음에 따라 실험 결과가 달라진 것이다.

 

 이중 슬릿 실험은 물질이 파동성과 입자성 중 어떤 성질을 지니는지를 알아보려고 한 것이다. 그런데 놀랍게도 물질은 파동성과 입자성을 동시에 가진다는 것을 이중 슬릿 실험이 증명한 것이다. 당시에는 입자와 파동을 서로 반대의 성질로 규정해 동시에 성립할 수 없는 것으로 봤던 물리학적 상식을 뒤집은 것이다. 그런데 더 놀라운 것은 앞의 내용에서 이야기했듯이 전자를 입자로 보고 쪼개지는지 확인하기 위해서 실험을 하면 입자성을 보인다는 것이다. 입자로서의 특성을 살펴보려고 하면 입자로서의 성질을 보여주고 파동성을 알아보려는 실험을 하면 파동처럼 움직였다는 것이다.

 

빛이나 전자가 지능이 있어 실험하는 과학자들의 생각과 의도를 읽어 낸다는 것일까? 관찰자의 마음과 생각에 따라 물질이 변화하고 다른 반응을 나타낸다는 것일까? 모든 물질이 파동이듯이 사람의 말, 글, 생각도 파동이라 실험 대상에 영향을 주었다고 볼 수도 있을 것이다. 그래서 모든 물질이 파동이고 에너지이듯이 우주 만물이 파동으로서 영향을 주고받고 있다는 것을 양자역학의 이중 슬릿 실험이 보여주고 있다고 해석한다.