파동과 입자 이중성에 대해 _ 이중 슬릿 실험

 

 

파동과 입자

 

파동과 입자는 명확히 다른 요소입니다.

 

파동은 잔잔한 물에 돌을 던져 보면 바로 볼 수 있습니다. 일정한 진동수와 파장을 그리면서 널리 퍼져 나갑니다. 이때 파동을 전달하는 '매질'은 에너지를 전달만 할 뿐, 매질 자체의 위치는 변하지 않습니다. 파동의 대표적인 예로 전자기파가 있습니다. 전기장과 자기장의 상호작용으로 전자기장의 변화가 '공간'상으로 퍼지는 현상입니다. 전자기파는 빛의 속도와 같고, 일부 물체를 통화하기도 합니다.

 

 

입자는 '물리적 성질'과 '화학적 성질'을 가진 작은 물체입니다. 주목해야할 점은 물리적 성질입니다. 파동과 달리 입자끼리 부딪히면 에너지량과 질량에 따라 각각의 입자의 위치와 에너지가 '변화'합니다. 

 

---

 

빛은 입자일까? 파동일까?

 

빛에 대한 연구는 고대 그리스부터 시작합니다. 아리스토텔레스는 빛은 파동이라고 주장했습니다. 

18세기 위대한 물리학자 '아이작 뉴턴'은 빛은 작은 입자의 흐름이라고 하며 미립자설을 주장했는데요. 동시대에 '로버트 훅'은 빛은 서로 부딪혀도 충돌없이 통과한다고 주장하며 빛은 파동으라고 주장했습니다. 하지만 뉴턴의 권위가 하늘을 찌르던 시기라 입자설이 우세 했습니다. 

 

19세기에 이르러 '토머스 영'의 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 파동설이 다시 화두에 오르는데요. 실험 방법은 이렇습니다.

빛을 주개의 슬릿이 있는 벽에 쏩니다. 그 슬릿 뒤에는 광자를 측정할 수 있는 벽이 있습니다.

당연히 우리는 빛도 두개의 슬롯의 형태로 2줄로 나타날 것으로 생각합니다.

하지만 결과는 완전히 다른 답을 보여줍니다. 바로 간섭 무늬가 발생한 것입니다.

출처 : commons.wikimedia.org

입자가 반으로 쪼개져 다른곳으로 날아간다면 이해가 되지만, 입자는 더 이상 쪼개어질 수 없는 최소한의 단위이므로 기본 개념에 위배됩니다.

그러면 입자는 파동이라는 가설이 맞습니다. 이때부터 빛은 파동이라는 설이 우세해집니다. 

'멕스웰'은 자신이 만든 멕스웰 방정식을 토대로 계산한 전자기파의 속력이 빛의 속력과 일치함을 밝혀 냈습니다. 멕스웰은 빛이 전자기파라고 주장했습니다. 

빛은 파동이라는 설이 거의 확정된 것이나 다름 없는 분위기가 학계에 퍼졌습니다.

이때, 그 분이 나타납니다.

'알베르트 아인슈타인'

아인슈타인은 광전 효과를 토대로 빛은 입자라고 주장합니다. 한 전자에 광자 (빛)를 쏘면 1개의 전자가 튀어 나옵니다.

만약 파동이라면 여러개의 간섭이 발생해 다수의 전자가 튀어 나와야하지만 그렇지 않았습니다. 바로 입자의 특성입니다. (당구를 생각하시면 쉽겠네요.)

이 실험을 통해 빛은 입자임이 다시금 확실시 되었고, 그 누구도 아인슈타인의 실험에 반박할 실험을 내지 못했습니다.

아인슈타인의 입자설이 학계에 정설로 받아 들여질때쯤, '닐스 보어'가 등장합니다.

'보어'는 빛은 파동성과 입자성을 동시에 갖는다고 주장했습니다. 입자이기도 하고, 파동이기도 하다?

아인슈타인은 전적으로 반박했습니다. '신은 주사위 놀이를 하지 않는다'고 하며 우리가 아직 발견하지 못할뿐 입자의 성질을 명확하게 규정할 공식이 있다고 주장했습니다.

 

입자가 파동과 입자성을 가진다는 학설은 코펜하겐에서 가장 핫한 주제였습니다.

 

다음은 코펜하겐 해석에 대해 알아 보겠습니다.