[재밌는 양자역학] 9. 전자 이중슬릿 실험 (Double slit experiment)

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(C₆₀)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