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죽어있으면서 동시에 살아있는 고양이가… 양자세계에서는 가능하다?? 에르빈 슈뢰딩거의 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 코펜하겐 학파의 확률, 중첩 개념을 무너뜨리기 위해 내세운 사고 실험입니다.
코펜하겐 학파는 양자역학을 이렇게 설명한다. 미시 세계에서는 입자에 대한 그 어떤 정보도 정확하게 알 수 없다. 이것은 양자역학의 본질이므로 측정장비가 아무리 정교해지고 과학이 진보하더라도
미시세계를 정확하게 이해하는 건 불가능하다. 다만, 미시 세계에서 정보는 확률적으로는 알 수 있다.
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이중슬릿 실험 – 나무위키
이중슬릿 실험(Double-slit experiment)이란 양자역학에서 물질의 파동성과 입자성을 구분하는 실험으로, 어떤 물질이 두 개의 미세한 구멍(슬릿, …
Source: namu.wiki
Date Published: 1/15/2021
View: 8078
아는 척하기 딱 좋은 양자역학의 깊은 이야기(1)
측정 문제에 대한 중요한 실험은 20세기가 끝나가던 1999년에 발표됐다. 충분히 큰 물체인 풀러린 분자(C60)를 이용한 이중슬릿 실험에서 전자처럼 간섭 …
Source: www.materialssquare.com
Date Published: 7/5/2022
View: 2740
이중슬릿 실험 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
이중슬릿 실험(영어: Double-slit experiment)은 양자역학에서 실험 대상의 파동성과 입자성을 구분하는 실험이다. 실험 대상을 이중슬릿 실험 장치에 통과 시키면 …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 6/8/2021
View: 3732
양자역학 완벽 이해하기 – 브런치
과학자 닐스 보어는 “양자역학을 보고도 제정신인 사람은 그걸 제대로 이해하지 못한 것이다”라고 했고, 로저 펜로즈는 “이론과 실험이 일치하며 …
Source: brunch.co.kr
Date Published: 1/7/2022
View: 307
양자역학의 역사에서 과학자들의 생각은 현실이 됐다
비상식적인 현상 중 가장 대표적인 이중 슬릿 실험을 같이 살펴보고자 한다. 양자물리학이 이 실험에서 시작됐다고 여겨도 될 정도로 유명한 실험이다.
Source: qns.science
Date Published: 12/4/2022
View: 7781
[재밌는 양자역학] 9. 전자 이중슬릿 실험 (Double slit experiment)
재미있는 양자역학 … 오늘은 물질의 이중성을 확인하게 된 실험! … 오늘 알아볼 전자의 이중슬릿 실험은 전자의 파동성을 증명한 실험입니다.
Source: allgo77.tistory.com
Date Published: 2/15/2022
View: 8008
1. 양자역학의 등장 – Qubit
양자 컴퓨터의 이론적 기반인 양자역학에 대해 조금씩 알아가보도록 합시다. … 양자역학의 기묘함을 아주 잘 요약해준다고 평가받는 “이중 슬릿 실험”을 한 번 …
Source: qubit.donghwi.dev
Date Published: 12/17/2021
View: 1315
[양자역학] 전자 이중 슬릿 실험 – 네이버 블로그
참고 : 철학적 사고로 배우는 과학의 원리(야무차 저). . ○ 이중 슬릿 실험의 배경. 양자역학의 탄생과 학문으로 정착되기까지의 역사는 매우 유명 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 1/28/2021
View: 3637
양자역학의 난제 해결, 한 걸음 더 나아갔다 – 이웃집과학자
지금까지 여러 복합시스템이 이론적으로 제안되고, 일부는 실험까지 진행됐지만, 양자 물체의 상보성과 입자-파동 이중성을 완벽하게 검증할 수 있는 장치 …
Source: www.astronomer.rocks
Date Published: 12/8/2022
View: 2048
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주제에 대한 기사 평가 양자 역학 실험
- Author: 리뷰엉이: Owl’s Review
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- Date Published: 2021. 1. 12.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=hg798x6rAnU
이중슬릿 실험
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아는 척하기 딱 좋은 양자역학의 깊은 이야기(1)
Materials Square Customer Agreement
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5.2 Taxes. Each party will be responsible, as required under applicable law, for identifying and paying all taxes and other governmental fees and charges (and any penalties, interest, and other additions thereto) that are imposed on that party upon or with respect to the transactions and payments under this Agreement. All fees payable by you are exclusive of Indirect Taxes. We may charge and you will pay applicable Indirect Taxes that we are legally obligated or authorized to collect from you. You will provide such information to us as reasonably required to determine whether we are obligated to collect Indirect Taxes from you. We will not collect, and you will not pay, any Indirect Tax for which you furnish us a properly completed exemption certificate or a direct payment permit certificate for which we may claim an available exemption from such Indirect Tax. All payments made by you to us under this Agreement will be made free and clear of any deduction or withholding, as may be required by law. If any such deduction or withholding (including but not limited to cross-border withholding taxes) is required on any payment, you will pay such additional amounts as are necessary so that the net amount received by us is equal to the amount then due and payable under this Agreement. We will provide you with such tax forms as are reasonably requested in order to reduce or eliminate the amount of any withholding or deduction for taxes in respect of payments made under this Agreement.
6. Temporary Suspension.
6.1 Generally. We may suspend your or any End User’s right to access or use any portion or all of the Service Offerings immediately upon notice to you if we determine:
(a) your or an End User’s use of the Service Offerings (i) poses a security risk to the Service Offerings or any third party, (ii) could adversely impact our systems, the Service Offerings or the systems or Content of any other “Materials Square” customer, (iii) could subject us, our affiliates, or any third party to liability, or (iv) could be fraudulent;
(b) you are, or any End User is, in breach of this Agreement;
(c) you are in breach of your payment obligations under Section 5; or
(d) you have ceased to operate in the ordinary course, made an assignment for the benefit of creditors or similar disposition of your assets, or become the subject of any bankruptcy, reorganization, liquidation, dissolution or similar proceeding.
6.2 Effect of Suspension. If we suspend your right to access or use any portion or all of the Service Offerings. You remain responsible for all fees and charges you incur during the period of suspension.
7. Term; Termination.
7.1 Term. The term of this Agreement will commence on the Effective Date and will remain in effect until terminated under this Section 7. Any notice of termination of this Agreement by either party to the other must include a Termination Date that complies with the notice periods in Section 7.2.
7.2 Termination.
(a) Termination for Convenience. You may terminate this Agreement for any reason by providing us notice and closing your account for all Services for which we provide an account closing mechanism. We may terminate this Agreement for any reason by providing you at least 15 days’ advance notice.
(b) Termination for Cause.
(i) By Either Party. Either party may terminate this Agreement for cause if the other party is in material breach of this Agreement and the material breach remains uncured for a period of 15 days from receipt of notice by the other party. No later than the Termination Date, you will close your account.
(ii) By Us. We may also terminate this Agreement immediately upon notice to you (A) for cause if we have the right to suspend under Section 6, (B) if our relationship with a third-party partner who provides software or other technology we use to provide the Service Offerings expires, terminates or requires us to change the way we provide the software or other technology as part of the Services, or (C) in order to comply with the law or requests of governmental entities.
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(a) Generally. Upon the Termination Date:
(i) except as provided in Section 7.3(b), all your rights under this Agreement immediately terminate;
(ii) you remain responsible for all fees and charges you have incurred through the Termination Date and are responsible for any fees and charges you incur during the post-termination period described in Section 7.3(b);
(iii) you will immediately return or, if instructed by us, destroy all “Materials Square” Content in your possession; and
(iv) Sections 4.1, 5, 7.3, 8 (except the license granted to you in Section 8.4), 9, 10, 11, 13 and 14 will continue to apply in accordance with their terms.
(b) Post-Termination. Unless we terminate your use of the Service Offerings pursuant to Section 7.2(b), during the 15 days following the Termination Date:
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(ii) we will allow you to retrieve Your Content from the Services only if you have paid all amounts due under this Agreement.
For any use of the Services after the Termination Date, the terms of this Agreement will apply and you will pay the applicable fees at the rates under Section 5.
8. Proprietary Rights.
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8.2 Your Submissions. Your Submissions will be governed by the terms of the Apache License, Version 2.0, unless you request and we consent in writing to another license supported by us.
8.3 Adequate Rights.You represent and warrant to us that: (a) you or your licensors own all right, title, and interest in and to Your Content, Your Submissions and Suggestions; (b) you have all rights in Your Content, Your Submissions and Suggestions necessary to grant the rights contemplated by this Agreement; and (c) none of Your Content, Your Submissions or End Users’ use of Your Content, Your Submissions or the Service Offerings will violate the Acceptable Use Policy.
8.4 Service Offerings License. We or our licensors own all right, title, and interest in and to the Service Offerings, and all related technology and intellectual property rights. Subject to the terms of this Agreement, we grant you a limited, revocable, non-exclusive, non-sublicensable, non-transferrable license to do the following: (a) access and use the Services solely in accordance with this Agreement; and (b) copy and use the “Materials Square” Content solely in connection with your permitted use of the Services. Except as provided in this Section 8.4, you obtain no rights under this Agreement from us, our affiliates or our licensors to the Service Offerings, including any related intellectual property rights. Some “Materials Square” Content and Third-Party Content may be provided to you under a separate license, such as the Apache License, Version 2.0, or other open source license. In the event of a conflict between this Agreement and any separate license, the separate license will prevail with respect to the “Materials Square” Content or Third-Party Content that is the subject of such separate license.
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9. Indemnification.
9.1 General.You will defend, indemnify, and hold harmless us, our affiliates and licensors, and each of their respective employees, officers, directors, and representatives from and against any Losses arising out of or relating to any third-party claim concerning: (a) your or any End Users’ use of the Service Offerings (including any activities under your “Materials Square” account and use by your employees and personnel); (b) breach of this Agreement or violation of applicable law by you, End Users, Your Content or Your Submissions; (c) Your Content or Your Submissions or the combination of Your Content or Your Submissions with other applications, content or processes, including any claim involving alleged infringement or misappropriation of third-party rights by Your Content or Your Submissions, or by the use, development, design, production, advertising or marketing of Your Content or Your Submissions; or (d) a dispute between you and any End User. You will reimburse us for reasonable attorneys’ fees, as well as our employees’ and contractors’ time and materials spent responding to any third party subpoena or other compulsory legal order or process associated with third party claims described in (a) through (d) above at our then-current hourly rates.
9.2 Process. We will promptly notify you of any claim subject to Section 9.1, but our failure to promptly notify you will only affect your obligations under Section 9.1 to the extent that our failure prejudices your ability to defend the claim. You may: (a) use counsel of your own choosing (subject to our written consent) to defend against any claim; and (b) settle the claim as you deem appropriate, provided that you obtain our prior written consent before entering into any settlement. We may also assume control of the defense and settlement of the claim at any time.
10. Disclaimers.
THE SERVICE OFFERINGS ARE PROVIDED “AS IS.” EXCEPT TO THE EXTENT PROHIBITED BY LAW, OR TO THE EXTENT ANY STATUTORY RIGHTS APPLY THAT CANNOT BE EXCLUDED, LIMITED OR WAIVED, WE AND OUR AFFILIATES AND LICENSORS (A) MAKE NO REPRESENTATIONS OR WARRANTIES OF ANY KIND, WHETHER EXPRESS, IMPLIED, STATUTORY OR OTHERWISE REGARDING THE SERVICE OFFERINGS OR THE THIRD-PARTY CONTENT, AND (B) DISCLAIM ALL WARRANTIES, INCLUDING ANY IMPLIED OR EXPRESS WARRANTIES (I) OF MERCHANTABILITY, SATISFACTORY QUALITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, NON-INFRINGEMENT, OR QUIET ENJOYMENT, (II) ARISING OUT OF ANY COURSE OF DEALING OR USAGE OF TRADE, (III) THAT THE SERVICE OFFERINGS OR THIRD-PARTY CONTENT WILL BE UNINTERRUPTED, ERROR FREE OR FREE OF HARMFUL COMPONENTS, AND (IV) THAT ANY CONTENT WILL BE SECURE OR NOT OTHERWISE LOST OR ALTERED.
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12. Modifications to the Agreement.
We may modify this Agreement (including any Policies) at any time by posting a revised version on the “Materials Square” Site or by otherwise notifying you in accordance with Section 13.10; provided. By continuing to use the Service Offerings after the effective date of any modifications to this Agreement, you agree to be bound by the modified terms. It is your responsibility to check the “Materials Square” Site regularly for modifications to this Agreement. We last modified this Agreement on the date listed at the end of this Agreement.
13. Miscellaneous.
13.1 Assignment. You will not assign or otherwise transfer this Agreement or any of your rights and obligations under this Agreement, without our prior written consent. Any assignment or transfer in violation of this Section 13.1 will be void. Subject to the foregoing, this Agreement will be binding upon, and inure to the benefit of the parties and their respective permitted successors and assigns.
13.2 Entire Agreement.This Agreement incorporates the Policies by reference and is the entire agreement between you and us regarding the subject matter of this Agreement. This Agreement supersedes all prior or contemporaneous representations, understandings, agreements, or communications between you and us, whether written or verbal, regarding the subject matter of this. We will not be bound by, and specifically object to, any term, condition or other provision that is different from or in addition to the provisions of this Agreement (whether or not it would materially alter this Agreement) including for example, any term, condition or other provision (a) submitted by you in any order, receipt, acceptance, confirmation, correspondence or other document, (b) related to any online registration, response to any Request for Bid, Request for Proposal, Request for Information, or other questionnaire, or (c) related to any invoicing process that you submit or require us to complete. If the terms of this document are inconsistent with the terms contained in any Policy, the terms contained in this document will control, except that the Service Terms will control over this document.
13.3 Force Majeure.We and our affiliates will not be liable for any delay or failure to perform any obligation under this Agreement where the delay or failure results from any cause beyond our reasonable control, including acts of God, labor disputes or other industrial disturbances, electrical or power outages, utilities or other telecommunications failures, earthquake, storms or other elements of nature, blockages, embargoes, riots, acts or orders of government, acts of terrorism, or war.
13.4 Governing Law. The laws of Rebublic of Korea, without reference to conflict of law rules, govern this Agreement and any dispute of any sort that might arise between you and us. The United Nations Convention for the International Sale of Goods does not apply to this Agreement.
13.5 Disputes. Any dispute or claim relating in any way to your use of the Service Offerings, or to any products or services sold or distributed by Virtual Lab will be resolved in Seoul Central District court of Rebublic of Korea. We and you agree that any dispute resolution proceedings will be conducted only on an individual basis and not in a class, consolidated or representative action. Subject to Section 8.5, we and you both agree that you or we may bring suit in court to enjoin infringement or other misuse of intellectual property rights.
13.6 Trade Compliance.In connection with this Agreement, each party will comply with all applicable import, re-import, sanctions, anti-boycott, export, and re-export control laws and regulations, including all such laws and regulations that apply to a company of Rebulic of Korea.
13.7 Independent Contractors; Non-Exclusive Rights. We and you are independent contractors, and this Agreement will not be construed to create a partnership, joint venture, agency, or employment relationship. Neither party, nor any of their respective affiliates, is an agent of the other for any purpose or has the authority to bind the other. Both parties reserve the right (a) to develop or have developed for it products, services, concepts, systems, or techniques that are similar to or compete with the products, services, concepts, systems, or techniques developed or contemplated by the other party, and (b) to assist third party developers or systems integrators who may offer products or services which compete with the other party’s products or services.
13.8 Language.All communications and notices made or given pursuant to this Agreement must be in the English language. If we provide a translation of the English language version of this Agreement, the English language version of the Agreement will control if there is any conflict.
13.9 Confidentiality and Publicity. You may use “Materials Square” Confidential Information only in connection with your use of the Service Offerings as permitted under this Agreement. You will not disclose “Materials Square” Confidential Information during the Term or at any time during the 5-year period following the end of the Term. You will take all reasonable measures to avoid disclosure, dissemination or unauthorized use of “Materials Square” Confidential Information, including, at a minimum, those measures you take to protect your own confidential information of a similar nature. You will not issue any press release or make any other public communication with respect to this Agreement or your use of the Service Offerings.
13.10 Notice.
(a) To You. We may provide any notice to you under this Agreement by: (i) posting a notice on the “Materials Square” Site; or (ii) sending a message to the email address then associated with your account. Notices we provide by posting on the “Materials Square” Site will be effective upon posting and notices we provide by email will be effective when we send the email. It is your responsibility to keep your email address current. You will be deemed to have received any email sent to the email address then associated with your account when we send the email, whether or not you actually receive the email.
(b) To Us. To give us notice under this Agreement, you must contact Virtual Lab as follows: (i) by telephone to +82-2-3293-0204 ; or (ii) by personal delivery, overnight courier or registered or certified mail to Virtual Lap, Inc., (02792) 961c H-1, Hwarang-ro 14-gil, Seongbuk-gu, Seoul, Rebulic of Korea. We may update the telephone number or address for notices to us by posting a notice on the “Materials Square” Site. Notices provided by personal delivery will be effective immediately. Notices provided by facsimile transmission or overnight courier will be effective one business day after they are sent. Notices provided registered or certified mail will be effective three business days after they are sent.
13.11 No Third-Party Beneficiaries. Except as set forth in Section 9.1, this Agreement does not create any third-party beneficiary rights in any individual or entity that is not a party to this Agreement.
13.12 Government of Republic of Korea Rights. The Service Offerings are provided to the Government of Republic of Korea as “commercial items,” “commercial computer software,” “commercial computer software documentation,” and “technical data” with the same rights and restrictions generally applicable to the Service Offerings. If you are using the Service Offerings on behalf of the Government of Republic of Korea and these terms fail to meet the needs of the Government of Republic of Korea or are inconsistent in any respect with the law of Republic of Korea, you will immediately discontinue your use of the Service Offerings.
13.13 No Waivers. The failure by us to enforce any provision of this Agreement will not constitute a present or future waiver of such provision nor limit our right to enforce such provision at a later time. All waivers by us must be in writing to be effective.
13.14 Severability. If any portion of this Agreement is held to be invalid or unenforceable, the remaining portions of this Agreement will remain in full force and effect. Any invalid or unenforceable portions will be interpreted to effect and intent of the original portion. If such construction is not possible, the invalid or unenforceable portion will be severed from this Agreement but the rest of the Agreement will remain in full force and effect.
14. Definitions.
“Account Information” includes names, usernames, phone numbers, email addresses and billing information associated with your “Materials Square” account.
“API” means an application program interface.
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이중슬릿 실험(영어: Double-slit experiment)은 양자역학에서 실험 대상의 파동성과 입자성을 구분하는 실험이다. 실험 대상을 이중슬릿 실험 장치에 통과 시키면 그것이 파동이냐 입자이냐에 따라 결과 값이 달라진다. 파동은 회절과 간섭의 성질을 가지고 있다. 따라서 파동이 양쪽 슬릿을 빠져나오게 되면 회절과 간섭이 작용하고 뒤쪽 스크린에 간섭무늬가 나타난다. 반면 입자는 이러한 특성이 없으므로 간섭무늬가 나타나지 않는다. 이 두 가지 상의 차이를 통해 실험 물질이 입자인지 파동인지를 구분한다.
이중슬릿 실험의 과학적 의미 [ 편집 ]
이 실험이 최초로 행해진 것은 19세기 초 토머스 영이 광자를 대상으로 한 이중슬릿 실험이었다. 17세기의 뉴턴은 빛이 입자임을 주장하였고 이것은 오랫동안 정설로 여겨졌으나, 이 실험을 통해 간섭이 확인됨으로써 반증되었다. 이 실험 결과는 당시 뉴턴 역학에 큰 영향을 주었으며, 에테르 이론에 바탕을 둔 빛의 파동이론을 촉발하는 계기가 되었다.
아인슈타인의 상대성이론이 발표되고 난 후 1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머가 전자를 대상으로 이중슬릿 실험을 하여 입자성과 파동성이 동시에 나타날 수 있다는 것을 증명하였다. 이 실험 결과는 당시 입자와 파동을 서로 반대의 성질로 규정하며 양립할 수 없는 것으로 여겼던 물리학적 상식을 흔들어 놓았다. 이것을 설명할 수 있는 새로운 관념과 물리학적 해석이 불가피하였고 그것이 양자론의 탄생으로 결실을 맺는다. 이 역사적 사실들을 통해 이중슬릿 실험이 갖는 중요한 과학적 의미를 확인할 수 있다.
영의 이중슬릿 실험 [ 편집 ]
1801년 토머스 영은 광자의 이중슬릿 실험을 통해 간섭현상을 증명해냈다. 이 실험의 방법은 단색광을 단일 슬릿S에 입사시켜 이중 슬릿 S1와 S2를 통과하여 스크린에 나타나는 현상을 관찰하는 것이다. 이때 빛이 입자라면 일정한 무늬가 나타나야 한다. 그러나 실험 결과 파동처럼 간섭무늬가 나타났으며, 이것은 빛이 파동성을 가진 것을 의미한다.
또한 빛의 간섭성을 확인함으로써 빛의 파장을 최초로 구할 수가 있었다. 먼저 스크린 위의 임의의 P점을 잡는다. 이때 S1, S2에서 P에 이르는 경로차가[모호한 표현] 곧 위상차가 d sinθ 이므로 파장의 정수배로 경로차를 유지한다면 P점에서 보강간섭을 일으킬 것이다. 두 슬릿의 중간점으로부터 P까지의 연장선과 중심축사이의 각도를 θ하고, 중심축에서 P점까지의 거리를 Y로 두면 P점에서 보강간섭을 일으킬 때 경로차인 dsinθ = mλ(m=1,2,3….)이 성립한다. 따라서 이 수식을 이용하여 빛의 파장을 구해낸다
전자의 이중슬릿 실험 [ 편집 ]
1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머는 니켈 결정을 향해 전자빔을 발사하는 실험을 하였다. 실험 방법은 영의 이중슬릿 실험과 동일하다. 다만 단색광 대신에 전자빔을 쪼이는 차이가 있다. 당시에 전자는 입자로 인식하였기 때문에 그림(가)와 같은 무늬가 (그림이 빠졌습니다. 작성자는 그림 넣어주세요.) 나타날 것이라 예상하였다. 하지만 실험 결과 그림(다)와 같이 파동의 간섭무늬가 만들어졌다. 이 실험 결과는 뉴턴 역학과 전자기학으로 설명할 수 없는 부분이었다. 후일 보어의 양자론의 탄생으로 이것이 해결된다.
양자역학 완벽 이해하기
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1. 양자역학 완벽 이해하기
현대물리학을 이루고 있는 대표적인 이론은 ‘상대성이론’과 ‘양자역학’이다. 둘 다 어려운 이론이지만, 그중에서도 양자역학은 이해하기 굉장히 어려운 이론으로 알려져 있다. 과학자 닐스 보어는 “양자역학을 보고도 제정신인 사람은 그걸 제대로 이해하지 못한 것이다”라고 했고, 로저 펜로즈는 “이론과 실험이 일치하며 동시에 심오한 수학적 아름다움을 갖추었지만, 이건 전혀 말이 안 된다”라고 했다. 리처드 파인만 역시 “이 세상에서 양자역학을 완벽히 이해한 사람은 한 사람도 없다”라고 말했다. 그만큼 양자역학은 이해하기 어려운 이론이다. 오늘은 이 양자역학을 누구나 이해하기 쉽게 설명해보고자 한다.
– 한 줄 요약 : 어렵다고 알려진 양자역학을 쉽게 설명하고자 한다.
2. 양자역학이 무엇인가?
양자역학은 원자를 다루는 학문이다. 조금 더 자세히 말하자면, 원자의 행동을 설명하는 학문이 바로 양자역학이다. 원자는 화학적인 방법으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위의 물질이다. 이처럼 원자는 너무 작기 때문에 우리 눈으로는 볼 수 없다. 현미경으로도 볼 수 없는 정도로 작은 물질이 바로 원자이다. 얼마나 작은지 비유를 해보고자 한다. 만약 원자를 동전 크기만큼 확대시킨다면, 그건 동전을 지구 크기만큼 확대시키는 것과 같은 정도로 확대하는 것이다. 즉, 그만큼 작은 물질이 바로 원자이다.
양자역학은 아주 작은 물질인 원자의 행동을 설명하는 학문이다.
세상 모든 물질들은 바로 이 원자의 결합으로 이루어져 있다. 컴퓨터, 핸드폰, 사과, 바나나, 책상 등, 모든 것들은 원자로 구성되어있다. 즉 양자역학은 모든 물질의 근원을 알아보는 학문이라고도 볼 수 있는 것이다. 양자역학이 없었다면 반도체가 없었을 것이다. 그리고 그 반도체가 없었다면 노트북이나 스마트폰과 같은 작은 컴퓨터의 탄생은 불가능했을 것이다.
세상 모든 물질은 원자로 구성되어 있다.
양자역학이 원자를 연구하는 학문이니, 우선 원자에 대해 알아보고자 한다. 원자는 원자핵과 전자의 결합으로 이루어져 있다. 원자핵이 가운데 있고, 전자들이 원자핵을 중심으로 빙글빙글 돌고 있다. 마치 태양을 중심으로 지구가 공전하듯, 전자가 원자핵을 중심으로 돌고 있는 것이다. 여기서 중요한 사실은 원자핵과 전자 사이가 굉장히 멀리 떨어져 있다는 것이다. 원자핵 바로 주변을 전자가 도는 것이 아니라, 원자핵과 멀리 떨어진 곳에서 전자가 돌고 있는 것이다. 그리고 이 둘의 사이는 텅 비어있다.
원자는 원자핵과 전자의 결합으로 만들어지고, 이 둘의 간격은 굉장히 멀리 떨어져 있다.
예를 들어, 원자핵이 축구공이라고 가정하고 서울 시청 앞 광장 한가운데 놓았다고 해보자. 그렇다면 전자는 수원쯤에 떠다니는 먼지 한 톨이다. 그 정도로 원자핵과 전자는 멀리 떨어져 있다. 양자역학으로 영화 앤트맨을 설명할 수 있다. 원자는 원자핵과 전자로 이뤄져있고, 원자핵과 전자 사이는 멀리 떨어져 있다. 그리고 우리는 이 원자들로 구성되어 있다. 즉 원자핵과 전자의 간격을 좁히면, 우리는 작아질 것이다. 반대로 원자핵과 전자의 간격을 넓히면, 우리는 커질 것이다. 영화 앤트맨은 과학적으로 설명이 가능한 영화다.
양자역학의 핵심 내용은 이 원자가 파동인지 입자인지에 관한 질문이다. 양자역학에 의하면, 이 원자는 입자이기도 하고 파동이기도 하다. 이는 1927년, 솔베이 회의에서 나온 코펜하겐 해석을 계기로 만들어졌다. 양자역학의 찬성파와 반대파가 격돌한 회의었는데, 결국 찬성파가 반대파를 이기고 본격적으로 양자역학이 탄생하게 되었다. 이를 자세히 알아보고자 한다.
양자역학은 핵심 내용은 원자가 파동인지 입자인지에 관한 질문이다.
– 한 줄 요약 : 양자역학은 원자를 연구하는 학문이고, 이 원자가 파동인지 입자인지에 관한 질문이다.
3. 이중슬릿 실험
양자역학을 이해하기 위해서는 이중슬릿실험을 알아봐야 한다. 그리고 이중슬릿실험을 이해하기 위해서는 입자와 파동을 먼저 알아야 한다. 입자란 기본적으로 우리가 보고 만질 수 있는 것들은 입자라고 보면 된다. 즉 야구공과 같이 누군가에게 던져서 전달할 수 있다면 입자인 것이다. 반대로 파동은 기본적으로 우리가 보고 만질 수 없는 것들이다. 하지만 한 번에 다수에 대상에게 전달이 가능하다는 특성을 가지고 있다. 소리가 파동의 대표적인 예시이다.
쉽게 설명하자면 입자는 보고 만질 수 있는 것(야구공), 파동은 보고 만질 수 없는 것(소리)이다.
이중슬릿이란 쉽게 말해 두 개의 구멍이라는 뜻이다. 110V 전기 콘센트 모양과 같이, 두꺼운 종이에 두 개의 직사각형 구멍을 뚫어보자. 그리고 그 두 개의 구멍을 통해 입자와 파동을 한 번 보내보자. 먼저 입자를 보낸다면, 입자는 두 개의 구멍 중 하나를 통과할 것이다. 구멍이 아닌 벽에 부딪히면 튕겨져 나올 것이기 때문이다. 그럼 결국 입자들이 구멍과 같은 모양으로 두 줄을 그리며 도착해있을 것이다. 그 구멍으로만 입자가 통과할 수 있기 때문이다.
이중슬릿으로 입자를 보내면 두 줄이 생긴다.
다음으로 파동을 두 개의 구멍으로 보내보자. 파동은 기본적으로 퍼져나간다. 예를 들어, 파도가 친다고 한 번 생각해보자. 파도의 물결은 하나의 알갱이들이 아니라 크게 퍼져나가는 것이기 때문에, 동시에 두개의 슬릿을 함께 통과할 수 있다. 두 개의 슬릿을 동시에 지난 파동들은 다시 만나게 되며 여러 물결을 만들어 낸다. 따라서 파동을 이중슬릿으로 보냈을 때, 이 파동은 두 줄이 아닌, 여러 개의 줄무늬를 그리며 도착하게 된다. 이 줄무늬 모양을 ‘간섭무늬’라고 한다.
이중슬릿으로 파동을 보내면 간섭무늬가 생긴다.
이처럼 입자와 파동은 단순히 두 개의 구멍을 통과하는 것만으로도 완전히 다른 결과를 보여준다. 이때 과학자들은 빛이 입자인지 파동인지 궁금해하기 시작했다. 그리고 이 이중슬릿실험을 통해, 빛이 입자인지 파동인지를 관찰하고자 했다. 토마스 영이라는 과학자는 이중슬릿에 빛을 쏴봤다. 결과는 간섭무늬가 나타났고, 이는 빛이 파동이라는 것을 보여주었다.
빛이 입자인지 파동인지 확인하기 위해, 이중슬릿에 빛을 쏴보게 되었다.
이후 빛 대신에 전자를 이중슬릿에 쏴봤다. 전자는 질량도 있고, 하나씩 집어 들 수도 있다. 누가 봐도 명백한 입자였다. 따라서 당연히 이중슬릿과 같은 두 줄이 생길 것이라 예측했다. 하지만 전자를 이중슬릿에 쏴본 결과, 간섭무늬가 생겼다. 이는 전자가 사실 파동이었거나, 아니면 구멍을 통과한 뒤 여러 개의 입자로 바뀌었다는 말이다. 하지만 전자는 누가 봐도 질량이 있는 명백한 입자였고, 갑자기 여러 개로 바뀌었다는 건 더 말이 안 되었다. 따라서 과학자들은 이 결과를 받아들이지 못했다.
명백한 입자였던 전자를 이중슬릿에 쐈는데 간섭무늬가 생겼다.
과학자들은 어떻게 이런 결과가 나온 건지 알아보기 위해, 전자가 날아가는 과정을 관찰해보기로 했다. 전자가 이중슬릿을 통과하기 직전의 순간에 사진을 찍어 그 결과를 보려 했다. 그러자 전자는 거짓말처럼 완벽한 입자로 바뀌었다. 즉 간섭무늬가 나타나지 않고 정확히 두 줄을 그렸다는 것이다. 이는 전자가 관측되기 전까지는 파동이었다가, 괸측되기 시작하니까 입자로 바뀌었다는 것이다.
전자는 관측되기 전에는 파동이었지만, 관측된 후에는 입자로 나타났다.
과연 어떻게 이러한 일이 가능한 것인가? 이는 본다라는 개념으로 설명된다. 본다는 것은 빛이 관측 대상에 부딪혀, 그 정보를 가지고 우리 눈에 들어오는 것을 말한다. 예를 들어, 우리는 컴컴한 방에서는 아무것도 볼 수 없다. 너무 어둡기 때문이다. 이처럼 우리가 무엇인가를 보기 위해서는 빛이 필요하다. 그리고 본다는 것은 그 빛이 관측대상을 때리고, 반사되어 우리 눈에 들어오는 것이다.
본다는 것은 빛이 관측대상을 때리고 반사되어 우리 눈에 들어오는 것이다.
이처럼 우리가 어떤 물체를 보는 것은, 빛이 그 물체를 때리는 것이나 마찬가지다. 전자와 같이 작은 입자들은 빛이 자신을 때리는 행위 자체가 엄청나게 큰 충격이다. 전자 입장에서 교통사고를 당한 것이나 마찬가지다. 따라서 본다는 것, 관측한다는 것 자체가 실험 결과에 큰 영향을 미친 것이다. 파동이었던 전자는 관측되는 순간 입자로 붕괴된다.
이 말은 즉, 빛이라는 광자와 전자가 부딪혀서 상호작용을 하는 순간, 전자는 우리가 이해할 수 있는 형태로 변하게 되는 것이다. 서로 상호작용을 하기 전까지는 우리가 볼 수 없지만, 상호작용이 일어나는 순간 우리가 볼 수 있는 형태로 변하는 것이다.
우리가 관측함으로 인해 전자는 빛이라는 광자와 부딪혀 상호작용을 하게 된다. 그렇게 전자는 입자가 된다.
– 한 줄 요약 : 양자역학에 의하면, 작은 원자는 관측되기 이전에는 파동이고 관측된 후에는 입자가 된다.
4. 슈뢰딩거의 고양이
슈뢰딩거라는 과학자는 양자역학을 극도로 싫어했다. 따라서 그는 양자역학에 태글을 걸기 위해서 사고실험을 하나 하게 된다. 하지만 이 실험은 양자역학이 가지고 있는 특성을 너무 쉽게 설명했고, 따라서 지금은 양자역학을 대표하는 실험이 되어버렸다.
슈뢰딩거의 고양이는 양자역학을 비판하기 위해 만든 사고실험이지만, 이후 이게 양자역학을 설명하게 되었다.
상자 안에 고양이와 독극물, 그리고 망치가 들어있다. 이 망치는 이중슬릿 장치와 연결되어있다. 여기서 왼쪽 구멍을 통과하면 망치는 작동하지 않는다. 그럼 고양이는 살아있게 된다. 반대로 오른쪽 구멍을 통과하면 망치가 작동하고, 독극물병이 깨져 고양이가 죽게 될 것이다.
양자역학에 의하면 전자는 관측되기 이전까지 두 개의 구멍을 동시에 통과할 것이다. 입자가 아닌 파동이기 때문이다. 하지만 관측되는 순간, 입자가 되어 둘 중 한 구멍밖에 통과하지 못할 것이다. 여기서 중요한 건, 전자는 관측되기 이전까지 왼쪽 구멍과 오른쪽 구멍을 동시에 통과한다는 것이다. 즉 망치는 작동하거나 작동하지 않게 되며, 독극물병은 깨지거나 깨지지 않게 되며, 고양이는 살아있거나 죽어있는 상태를 동시에 가질 것이다.
전자는 관측되기 이전까지 파동이다. 따라서 두개의 슬릿을 동시에 통과하고, 중첩된 결과를 만든다.
이건 현실 세계에서는 말이 안 되는 말이다. 현실세계에서 고양이는 살아있거나 죽어있는 것, 둘 중 하나의 상태만을 가진다. 하지만 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 동시에 존재한다니, 말이 안 된다. 따라서 슈뢰딩거는 해당 논리를 가지고 양자역학을 반박했다. 즉, 슈뢰딩거의 고양이 사고실험은 미세세계에서 발생하는 특이한 현상을 현실세계까지 확장해서 연결한 실험이다.
슈뢰딩거의 고양이 사고실험은 미시세계에서 발생하는 특이한 현상을 현실세계로 가져온 실험이다.
하지만 양자역학 찬성파의 대표적인 인물이었던 보어는 고양이도 사실 파동이라고 주장했다. 즉 고양이도 두 개의 구멍을 향해 계속 던지다 보면, 파동처럼 간섭무늬가 나타날 수 있다는 것이다.
하지만 날아가는 도중 공기를 포함해서 모든 충돌이 없어야 한다. 빛도 절대 닿아서는 안된다. 고양이의 몸을 구성하는 원자들끼리도, 서로 관측이 일어나서는 안된다. 그렇지 않으면 고양이는 파동이 될 수 없다. 즉 내가 아니라 우주의 어떤 것이라도 고양이와 상호작용을 한다면, 고양이는 파동성을 잃어버리게 된다. 우리가 파동 형태의 고양이를 볼 수 없는 이유도 이와 같다.
고양이도 이론상으로는 파동이 될 수 있다. 다만 이 세상 어떤 것과도 상호작용을 하면 안 된다.
세상에 존재하는 대부분의 원자들은 이미 쌍을 이뤄 분자 상태로 존재한다. 즉, 적어도 두 개 이상의 원자들이 만나 하나의 물체를 구성한다는 것이다. 예를 들어, 물도 수소 원자와 산소 원자의 결합으로 만들어진다. 이처럼 분자(물체)가 만들어지기 위해서는, 적어도 원자와 원자가 서로 관측하고 있어야 한다는 것이다. 이처럼 모든 분자의 안정성은 양자역학의 중첩 상태를 기반으로 한다.
이 세상 모든 물체는 두 개 이상의 원자들의 결합으로 이루어진다. 따라서 파동이 되지 않는 것이다.
보어는 양자역학을 두고 이렇게 말했다. “오로지 문제는 인간에게 있다. 인간이 이해하지 못한다는 것만이 문제고, 동시에 두 개의 구멍을 지난다는 이 상황을 설명할만한 언어가 없다는 것이 문제고, 이런 개념과 경험이 없다는 것만이 문제일 뿐, 우주에는 아무런 문제가 없다.”
– 한 줄 요약 : 하나의 원자가 조금이라도 상호작용이 일어난다면, 해당 원자는 파동성을 잃게 된다.
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양자역학의 역사에서 과학자들의 생각은 현실이 됐다
물리학자들은 입자이자 파동인 전자의
이중성을 인정하기 시작했다.
출처: Pixabay
“생각이 현실을 만든다.”
「가가도넛」, 말탁진 作
예술로 재탄생한 양자역학
이 실험의 중요한 결론은 전자가 파동의 성질을 보일 때도 있고 입자의 성질을 보일 때도 있다는 것이다. 이러한 이중성은 물리학계에 있을 수 없는 일이었다. 그래서 많은 사람들이 반감을 가졌다. 양자역학을 세운 사람 중 하나인 닐스 보어는 “양자역학을 접하고도 놀라지 않는 사람은 그것을 제대로 이해하지 못한 사람이다.”라고 말했다. 만약 이중슬릿 실험을 처음 접했는데 놀라지 않았다면 뭐가 이상한 건지 이해가 갈 때까지 곰곰이 생각해 보기를 권한다.학계의 열띤 토론에 토론을 거쳐 물리학자들은 전자의 이중성을 인정하기 시작했다. 전자가 입자 같을 때도 있고 파동 같을 때도 있다고 ‘생각’하기로 합의한 것이다. 이는 기존 고전물리학과는 정반대의 생각으로, ‘혁신’ 그 자체였다. 신기하게도 이 생각에서 양자역학이 출발했고 우리 삶에서 ‘현실’이 되었다.양자역학은 우리 일상에서 매우 밀접하다. 컴퓨터, 스마트폰, 카메라 등 거의 모든 전자기기가 양자역학을 기반으로 만들어졌다. 그리고 그 양자역학적 효과는 전자 소자가 작아질수록 더욱 중요해지고 있다. 우리 생활 속에서 양자역학이 자주 쓰이고 있다는 면에서, 영화 속 박해수의 말처럼 생각이 현실을 만들었다고 할 수 있다고 본다.쉽게 이해하기 어려운 매력 때문인지 양자역학은 미술에 영감을 주기도 한다. 학계에서도 힘들게 받아들여진 전자의 이중성을 예술 작품으로 표현한 미술 작가들이 있다. 이호탁, 이려진, 조말 작가로 이루어진 말탁진 팀이다.그들의 작품 ‘가가도넛’을 보면 원탁 위에 쇠구슬들이 원을 그리며 운동하다가 중앙의 구멍으로 떨어진다. 자세히 묘사하자면 전자를 상징하는 쇠구슬들이 전자총에서 나오듯 하나씩 원탁 위로 떨어져 원을 그리며 중앙을 향한다. 이 원형의 운동이 파동을 의미한다. 원탁 아래에는 여러 개의 자석이 회전하고 있는데 쇠구슬이 자석을 만나면 운동을 멈추고 붙는다. 이는 외부 관측에 의해 파동에서 입자로 바뀐 전자를 표현한다. 이중 슬릿 실험에서 슬릿 앞에 검출기를 달면 전자가 갑자기 파동에서 입자로 행태를 바꾸는 것을 표현했다. 돌고 있던 자석이 원탁에서 멀어져서 쇠구슬이 떨어지면, 마치 전자가 다시 파동으로 돌아가듯 중심을 향해 떨어진다. 관측 여부에 따라 전자의 이중성이 돌변하는 이중 슬릿 실험을 아름다운 예술로 승화하였다. 말탁진은 “이중 슬릿 실험에서 관측되는 순간 파동에서 입자가 되는 전자의 모습을 비유하고자 했다”라고 밝혔다.
[재밌는 양자역학] 9. 전자 이중슬릿 실험 (Double slit experiment)
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안녕하세요! 생각하는 공대생입니다.
오늘은 물질의 이중성을 확인하게 된 실험!
전자 이중슬릿 실험에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
오랜만에 포스팅을하게 되네요 ^^
이전 포스팅들에서 전자와 같이 매우 작은 입자는 물질과 파동의 성질을 동시에 갖는다는 것을 알게 되었습니다.
과학자들이 이와 같은 결론을 낸 이유는
실험적으로 전자가 물질의 특성과 파동의 특성을 모두 갖는다는 것이 밝혀졌기 때문인데요
오늘 알아볼 전자의 이중슬릿 실험은 전자의 파동성을 증명한 실험입니다.
그림과 같이 물체를 발사하는 기계가 있고 반대편의 스크린까지 가는 길에는 두개의 슬릿(slit)이 뚫려 있는 장치가 있습니다.
만약 야구공과 같은 일상적인 물체를 발사하면 어떻게 될까요?
당연히 막혀있는 부분에 야구공이 맞고 튕겨나가게 되고, 결국 슬릿이 뚫려 있는 부분에만 두 둘의 무늬가 나타나겠죠?
반대로 이번에는 파동을 봅시다.
파동에는 음파(소리) 물결파 등이 있습니다.
이처럼 파동은 이중 슬릿을 통과하면서 회절(diffraction)하고 간섭(interference)을 하게 됩니다.
같은 위상의 파동이 보강간섭을 한 곳에는 밝은 무늬가
반대 위상의 파동이 상쇄간섭을 한 곳에는 어두운 무늬가 나타나게 됩니다.
자 그런데 생각해 봅시다. 전자는 원래 물질이죠. 단지 매우매우매우 작을뿐입니다.
그렇다면 일단 물질이니까 전자를 똑같이 발사하면 야구공과 똑같이 두 줄이 나와야겠죠?
엥? 이게 뭔가요?
분명 작은 물질인 전자를 쐈는데 파동과 같은 간섭무늬가 나타났습니다!
그래서 과학자들은 이번에는 전자를 1개씩 하나하나 쏴보기로 합니다.
왜냐면 전자들이 서로 충돌하거나 해서 간섭무늬가 나타난게 아닐까 생각한 것이죠
하.지.만
전자를 1개씩 따로따로 쐈음에도 불구하고 똑같은 간섭무늬가 나타난 것입니다!!
결국 이로인해 전자같은 매우 작은 물질은 파동의 성질 또한 갖는다는 것이 다시한번 입증되었습니다.
파동은 동시에 두개의 슬릿을 통과하는 것이 가능하죠. 이는 전자도 마찬가지라는 것입니다.
하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과했다는 것은 물론 하나의 전자가 동시에 두 곳에 존재한다는 뜻을 포함하며
결론적으로 하나의 전자는 확률적으로 위치할 수 있는 모든 곳에 동시에 존재한다는 뜻입니다.
이후 안톤 차일링거는 전자보다 훨씬 거대한 퓰러렌(C 60 )으로 실험을 하게 됩니다.
보통의 원자 한개도 전자보다 훨~씬 거대한데, 무려 탄소원자 60개로 이루어진 분자니 조금은 일반적인 물질에 가깝지 않을까요?
그.런.데.
전자처럼 많은 간섭무늬가 나타나지는 않았지만
놀랍게도 퓰러렌 역시 간섭무늬를 나타냈습니다!!!
퓰러렌 같은 거대분자도 입자로 있다가 슬릿을 파동처럼 통과한다는 것이죠.
이때 중요한 조건이 있는데 발사된 물질이 도중에 어떤것과도 충돌하면 안된다는 것입니다.
물질이 다른 전자나 원자와 충동하게 되면 파동의 성질이 붕괴되고 다시 입자처럼 행동하게 되는 것입니다!!
아무튼!!!
안톤 차일링거는 고양이나 인간도 이런 조건만 갖춰진다면 간섭무늬가 나타날 수 있다 !! (ㄷㄷ) 라고 말합니다.
우리가 살고 있는 거시세계의 일반적인 물체는 원자수준에서는 너무나도 크기 때문에
날아다는 도중 입자 하나와도 부딪히지 않기가 거의 불가능 하지만요.
이를 결잃음 해석 또는 결잃음 이론 (decoherence theory)이라고 합니다.
차일링거는 이에 크기를 점점 키워 아메바와 같은 단세포 동물로도 간섭무늬를 만들기 위해 노력중이라고 합니다.
심지어 2013 년에 이중 슬릿 실험은 무려 810개의 원자로 구성된 거대분자를 이용하여 성공적으로 수행되었다고 합니다.
다음에 계속
[양자역학] 전자 이중 슬릿 실험
※ 참고 : 철학적 사고로 배우는 과학의 원리(야무차 저)
● 이중 슬릿 실험의 배경
양자역학의 탄생과 학문으로 정착되기까지의 역사는 매우 유명하고도 흥미롭다. 그 과정에서 양자역학이 무엇인지, 어떤 결과를 초래하는지 제대로 이해하는 과학자들은 많지 않았다. 상상하기도 어려울 만큼 작은 미시세계 입자의 거동과 빛의 기묘함은 당대 최고의 천재들을 미궁 속으로 빠뜨렸다. 많은 실험과 연구 중에서도 가장 유명하고 흥미진진한 전자의 이중 슬릿 실험을 살펴보자.
<데이비슨과 거머>
일단 빛의 이중성의 논쟁에 대해 상기해본다. 빛은 입자이며 파동이다. 빛은 완벽하게 다른 두 성질, 즉 단단한 알갱이로서의 입자와 물결의 움직임 같은 파동의 성질을 모두 지니고 있다. 과학자들은 수백 년간 빛에 관한 연구를 해왔고, 많은 실험과 논쟁 끝에 모순적인 결과를 받아들이게 되었다. 이 결과를 통해 불세출의 천재 루이스 드 브로이(Louis De Broglie; 1892~1987)는 창의적인 결론을 도출해 냈다. 그는 파동이라고 여겼던 빛이 입자도 될 수 있음에 착안해서, 반대로 입자를 파동처럼 생각해보면 어떨까 고심했다. 그는 연구 끝에 1923년 물질파(Matter Wave) 이론을 발표했다.
얼핏 일반 상식과 어긋나 보이는 물질파 이론은 1927년 데이비슨-거머(Davisson-Germer)의 실험을 통해 입증되었다. 또한 그들은 토마스 영의 1807년 ‘빛의 이중 슬릿 실험’을 약간 개조하여 전자총을 이용한 ‘전자 이중 슬릿 실험’을 진행했다. 전자총으로 전자(Electron)를 인접하게 위치한 두 슬릿에 쏘아, 슬릿 너머 스크린에 어떤 흔적이 나타나는지 관찰하는 실험이었다. 데이비슨과 거머는 전자의 발사 개수와 방식을 바꾸며 실험을 했다. 아주 중요한 결과를 논하기 전에 먼저 행한 실험 내용을 보자.
● 이중 슬릿 실험
아래의 그림처럼 전자총에서 전자를 발사해 이중 슬릿을 지나 그 뒤의 스크린에서 전자를 검출할 수 있도록 배치한다.
<실험 1>
전자총으로 한 번에 대량의 전자를 발사했다. 두 개의 슬릿을 지난 전자들은 스크린에 정확히 간섭무늬를 발생시키며 드 브로이의 예측과 부합하는 결과를 보여줬다. 전자는 파동이라고 생각하면 간섭무늬가 생성되는 것을 확실하게 설명할 수 있었다.
<실험 2>
전자를 딱 하나만 발사했다. 그 결과 한 개의 전자점을 관찰할 수 있었다. 당연한 결과로, 전자가 입자라는 증거였다. 두 개의 슬릿에 센서를 부착하여 전자가 어떤 슬릿을 지나는지 관찰하였고, 두 개의 센서 중 오직 하나만 반응(오른쪽 슬릿에 초록색 점) 하는 것을 보여주며 전자는 입자라는 것을 더욱 확고히 했다. 어느 하나의 슬릿을 지나갈 확률은 50%였다.
<실험 1>에서 전자는 파동이었고 <실험 2>에서는 입자였다. 빛과 같은 이중적인 상황이 나타났다. 조금 다른 점은 전자를 입자 혹은 파동 중 하나로 선택하여 실험 결과를 해석한다고 하면 어떻게든 현상을 설명할 수는 있었다.
<실험 3>
전자를 한 개씩 연속적으로 발사하는 실험이었다. 간단히 <실험 2>를 반복하는 과정이었다. 하지만 여기서 아주 기묘한 일이 나타났다. 개별적으로 쏘아진 전자들은 스크린에 파동의 간섭에 의한 궤적을 나타냈다! 결과가 <실험 1>의 간섭무늬와 같이 나타난 것이다. 상식적으로 <실험 3>의 결과는 점 덩어리 혹은 슬릿에 의한 두 줄이어야 했다. 이 결과는 기존의 과학적인 견해를 깨뜨리는 혁명적인 결과였다.
맨 처음 하나의 전자를 쏘면 스크린에 점으로 관찰됐다. 두 번째 전자를 쏘면 또다시 점으로 확인되었다. 100개를 쏘았을 때 100개의 점을 관찰할 수 있었지만 그 형태는 간섭무늬의 형태였다. 이건 하나의 전자가 입자이자 파동처럼 행동하는 전혀 납득이 되지 않는 현상이었다. 개별적으로 날아간 전자가 어디에서 관측될지는 변덕스러운 결과 때문에 예측할 수가 없었다. 하여튼 마지막 전자를 쏘고 난 후에 본 최종적인 스크린에는 간섭무늬가 나타났다.
● 이중 슬릿 실험의 결과
이제 중대한 문제점에 부딪혔다. 과학자들은 실험 결과를 설명하기 위해 기존의 이론과 해석을 모두 끌어모아 머리를 맞댔지만 제대로 된 설명을 찾을 수 없었다. 실험의 결과는 전자를 파동이라고 봐도, 입자라고 봐도 애매했다. 간섭이 생기기 위해서는 복수의 전자가 두 개의 슬릿 모두를 통과해야지만 가능했다.
하지만 <실험 3>에서 어느 한 슬릿을 지나가는 전자는 하나씩이다. 한 개의 전자만으로 어떤 간섭현상을 발생시킨다는 것은 불가능하다. 전자를 입자라고 생각해볼 때, 입자인 하나의 전자는 무조건 둘 중 하나의 슬릿만을 통과하기 때문에 설명이 불가능하다. 전자가 파동이 되어 나아간다고 볼 수도 있지만, 센서를 이용한 실험 관측 결과, 전자는 둘 중 하나의 슬릿만을 통과한다는 데이터를 얻었기 때문에 전자는 입자여야 했다.
그렇다면 어떤 슬릿을 통과했는지는 관측함으로써 알 수 있으니 슬릿을 통과한 이후에 어떻게 전자가 움직이는지 관찰하기로 했다. 하지만 전자는 마치 장난이라도 치듯이 관찰을 하려고 장비를 갖다 대면 더 이상 간섭무늬를 나타내지 않았다(가장 기묘한 포인트다).
관찰이라는 행위 자체가 전자의 운동을 확정 지어버린 것이다. 전자에 아무런 영향을 미치지 않고 관찰하는 것은 불확정성의 원리(Uncertainty Principle)에 위배되므로, 이 방법으로도 실험의 결과를 설명하기에 불완전했다. 전자의 거동은 더욱 미스터리 해졌다. 결과는 확실했고, 어떤 원리인지 학자들이 밝혀낼 일만 남은 것이다..
유명한 아래 영상을 보면 이중 슬릿 실험을 더 잘 이해할 수 있다.
양자역학의 난제 해결, 한 걸음 더 나아갔다
1928년 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 물질이 입자와 파동의 특징을 함께 갖고 있다는 ‘상보성의 원리’를 제안했습니다. 그러나 지금까지 이를 정량적으로 측정할 기술이 없었기 때문에 상보성은 정성적인 관계로만 이해되었습니다. 최근 양자컴퓨터 실현이 초읽기에 들어설 만큼 양자과학이 진보했지만, 여전히 ‘양자 물체의 파동-입자 이중성 및 상보성’, ‘두 양자 물체의 파동 함수 얽힘’ 등 완전히 이해되지 않은 개념들도 여럿 존재합니다. 특히 정량적인 상보성 원리는 양자과학에 필수적인 파동함수의 중첩과 얽힘을 이해하는 근간이 되는데요.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단의 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수)과 윤태현 연구위원(고려대 물리학과 교수) 연구팀은 양자 물체의 파동-입자 정량적 상보성에 대한 새로운 모델을 제안하고, 자체 개발한 장비를 통해 이를 실험적으로 검증했습니다.
상보성 원리와 파동-입자 이중성을 엄밀히 검증하려면 파동성과 입자성을 각각 측정할 수 있는 양자역학적 복합시스템이 필요합니다. 즉, 양자 입자를 만들어내는 장치, 양자 입자 위치 또는 경로의 탐지 장치, 중첩 상태의 양자 입자가 만들어내는 간섭현상의 측정 장치 등이 갖춰져야 합니다. 지금까지 여러 복합시스템이 이론적으로 제안되고, 일부는 실험까지 진행됐지만, 양자 물체의 상보성과 입자-파동 이중성을 완벽하게 검증할 수 있는 장치는 없었습니다.
연구진은 새로운 실험 시스템인 ‘얽힌 비선형 광자쌍 광원(ENBS)’을 자체 개발하여 이 한계를 돌파했습니다. ENBS 시스템은 기존 측정 시스템들과 달리 실험적으로 얽힘 정도를 조절할 수 있습니다. 즉, 양자 물체의 파동성과 입자성을 상보적 관계의 틀 안에서 실험적으로 조절하는 것이 가능합니다.
ENBS(얽힌 비선형 광자쌍 광원) 복합시스템의 모습. 출처 : IBS
연구진은 이 실험을 통해 양자 물체의 입자성과 파동성의 상호 연관은 물론, 둘 사이에 정량적 관계가 존재함을 증명했습니다. 이 결과는 보어의 ‘양자 입자의 파동성과 입자성은 서로 배타적이어서, 하나의 성질만 하나의 측정 장치로 알 수 있다’는 이론과 달리, 얽힘 정도를 조절해 배타적 성질 모두를 하나의 장치로 측정 가능함을 의미하는데요. 상보성의 원리 최초 제안 이후 약 100년 만에 파동-입자 상보성의 정량적 관계를 측정해냈다는 학술적 의미가 큽니다.
본 논문에서 제안하는 ENBS (얽힌 비선형 광자쌍 광원) 모델. 두 매개하향변환 결정 (PPLN1, PPLN2)에서 발생한 두 시그널 광자()는 빔 합치기 (BS3)에서 양자 중첩이 되고 단일광자 검출기 PD에서 단일 광자 간섭무늬의 가시도 가 측정된다. 또한 단일광자를 발생에 기여하는 두 아이들러() 빔은 시그널 광자가 각각 다른 PPLN 결정에서 생김에 따라 단일광자-증가-가갑섭 상태()가 된다. 따라서 두 아이들러 빔의 파동함수의 중첩도 에 따라 아이들러와 시그널 광자와의 얽힘()의 정도가 결정되고, 곧바로 시그널 광자의 순도 를 경정하게 되며, 단일 광자의 광 경로 정보 (경로 예측 확률)를 알게된다. 따라서 ENBS 모델에서는 실험적으로 조절 가능한 과 를 조절하여 단일 광자의 파동성 와 입자성 를 조절 할 수 있는 최초의 시스템 및 실험장치를 제공한다. 출처 : IBS
윤태현 연구위원은 “이 연구에서 제안 및 검증한 양자 복합시스템 실험장치를 이용한다면, 아직까지도 미지의 영역으로 남아있는 여러 양자역학적 난제를 해결할 실마리를 찾을 수 있을 것”이라고 말했습니다. 조민행 단장은 “1965년 노벨물리학상을 수상한 리차드 파인만은 ‘양자역학의 본질은 이중틈(double-slit) 실험의 이해에 있다’는 말을 남겼다”며 “앞으로 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 새롭게 제안한 양자 얽힘 장치를 이용하여 양자역학의 신비로운 특성들을 좀 더 깊게 연구할 예정”이라고 말했습니다.
연구결과는 8월 19일 03시(한국시간) 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 14.136) 온라인 판에 실렸습니다.
논문명 : Quantitative complementarity of wave-particle duality, Science Advances
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