양자역학 .... 3중 슬릿 실험으로 빛이 엉뚱한 경로를 통과하는 것이 증명된다.
소립자를 다룰 때는 실수(実数)뿐만 아니라 '허수(虚数)'도 이용한 계산이 필요한 반면, 허수는 현실세계에 존재하지 않는 '상상의 수'. 그러나 이상하게도 우리 또한 소립자로 이루어져 있을 것이다.
그런 우리들의 근본이 되는 것이, 아직도 「물체」라고 부를 수 있을지도 확실하지 않다고 하면, 매우 흥미가 끌린다는 것.
그런 양자역학의 세계에서, 또 하나의 불가사의한 실험결과가 나온 것 같다.
2016년 말 미국, 캐나다, 멕시코, 독일 각 대학의 공동 연구팀이 3중 슬릿 실험에 성공했다.
양자역학은 밤낮으로 진화하고 있으며, 최근 실현법이 발명된 양자 컴퓨터 뿐만이 아니라, 양자 텔레포테이션의 꿈에도 가까워지고 있다.
이번 3중 슬릿 실험을 시작해 차례차례로 실증되는 양자역학의 불가사의한 세계를, 소개해 보자.
◇ 고전 물리학의 종말
3중 슬릿 실험이 왜 중요한지를 분명히 하기 위해 먼저 양자역학의 역사를 이해해야 한다.
물리학의 큰 진보는 뉴턴의 방정식에 있다. 이 방정식으로 사과가 떨어지는 의미부터 달이 지구 주위를 도는 이유까지가 밝혀진 것이다.
당시는 확실히 「이 방정식을 사용하면 우주의 것은 모두 알 수 있다」라고 한 분위기로, 물리학자들은 크게 기뻐하며, 다양한 현상을 밝혔다.
이 대발견에, 마음이 빠른 물리학자는 취직 정보지를 읽기 시작했다고…… 어떤지는 확실하지 않지만, 19 세기의 말무렵에는, 아주 약간의 것을 제외하고 모든 것을 알게되었다고 알려졌다. 남겨진 아주 작은 것, 그것이 광전효과이다.
◇ 광전 효과
빛이란 도대체 무엇일까?
이것은 뉴턴 시대부터의 의문이었다.
빛은 파장일까 입자일까?
많은 물리학자는, 빛은 파장이다라고 생각했다.
그 증거가 이중 슬릿에 의한 실험이다.
칸막이에 얇은 슬릿을 2개 만들고 거기에 빛을 조사하면 반대쪽에 '두 개 이상의 파동이 겹쳐지는 현상'의 줄무늬가 나타난다. 이는 파장 특유의 성질이다. 따라서 '빛은 파장이다'라고 생각했다.
단지, 여기서 광전효과라고 하는 현상이 가로막는다.
이것은 파장으로는 설명할 수 없는 것이다.
광전효과는 금속에 빛을 비추면 전자가 튀어 나온다고 하는 현상이다. 이는 다음과 같다.
아무리 빛을 강하게 해도, 전자가 튀어 나오지 않을 수도 있다. 빛의 진동수를 바꾸면 전자가 튀어나온다.
빛이 파장라면 강하게 할수록 전자가 튀어나오기 마련이다. 금속에 붙어 있는 전자를 강한 빛으로 떼어낸다고 생각하는 것이 상식이다.
하지만 사실은 상식은 적용되지 않는다.
◇ 아인슈타인과 광전효과
광전효과의 수수께끼를 푼 것은 아인슈타인이다.
그는, 빛은 진폭의 크기를 가지는 입자이다고 했다. (진폭의 숫자는 입자의 반경이다이라고 생각하면 알기 쉽다.)
그리고, 광전효과를 다음과 같이 설명했다.
"금속에 붙어 있는 전자는, 그 전자와 궁합이 맞는 진동수를 가지는 빛에 이끌리면, 전자의 입자와 빛의 입자가 짝이 되어 금속에서 튕겨 나온다. 궁합이 맞지 않는 진동수에서는 반응하지 않는다.
이것은 훌륭한 설명이다. 그러나 그러면, 빛은 파장인 것을 증명의 2중 슬릿실험은 어떻게 되는 것일까. 빛이 입자면 줄무늬 현상은 나타나지 않을 것이다.
도대체 빛은 파장일까 입자일까?
이건 대단한 문제였다. 물리학자들은, 취직 정보지를 내던지고 다시 연구에 몰두했다.
◇ 양자역학과 상태방정식
정밀도를 높여 2중 슬릿 실험이 재개되어 1개의 전자를, 2개의 슬릿을 향해서 발사했다.
그 결과는 역시 줄무늬가 생겼다. 이는 전자가 파장라는 것의 가장 중요한 증거이다. 그러나 광전효과 이론에서는 전자도 입자여야 한다.
파장냐 입자냐?
이 모순은 어떻게 해야 할까?
천재 물리학자들은, 다음과 같이 결론을 내렸다.
파장와 입자의 양쪽 모두 움직인다고 하는 사실이 있으니까, 그것을 인정하자. 파장와 입자 양쪽의 성질이 성립되는 방정식을 만들면 되는 것이다.
이와 같이 순조롭게 상태 방정식이라는 것이 만들어졌다.
◇ 이중 슬릿의 해답
상태 방정식을 2중 슬릿의 경우에 맞추면 딱 맞았다. 결국 2중 슬릿을 전자가 통과하는 것은 다음과 같이 해석할 수 있다.
지금 두 개의 슬릿을 각각 A, B로 하겠다. 그때 전자의 어떤 부분은 A를 지나고 어떤 부분은 B를 지나고 또 A와 B를 모두 지나는 부분도 있는 거다. 이렇게 전자는, 나누어 A와 B를 통과하기 때문에, 결과적으로 줄무늬가 생긴다.
전자의 「어느 부분」이란, 입자를 분할한 일부분을 말하는 것이 아니다. 전자의 입자 자체는 분할하지 않고, 전자를 파라고 생각해 분할시킨다.
이중 슬릿 실험을 상태 방정식으로 해석하면, 이렇게 생각할 수 밖에 없었다.
이렇게 파장와 입자를 모두 집어넣어서 '어느 부분'으로 나뉜다라는 이상한 설명을 해야 된다. 이것이 양자역학인 것이다.
◇ 3중 슬릿의 경우
그럼 상태 방정식은 3중 슬릿에 맞추면 어떻게 되는 것일까? 이론상으로는 다음과 같은 일이 일어날 것으로 생각했다.
3개의 슬릿을 A, B, C로 한다. 2중 슬릿의 경우와 같이, 전자가 있는 부분은 A를 통과하는, 일이 일어난다. 또한 전자의 어떤 부분은 A를 통해 건너편으로 가고, 그 후 U턴하여 B를 통해 이쪽으로 돌아오고, 다시 한 번 U턴하여 C를 통해 건너편으로 가는 일도 일어난다.
즉, 전자가 S자형의 진행을 하는 것이다.
이번 실험으로 상태 방정식으로 도출된 S자형의 진행은 분명히 있다는 것을 확인할 수 있었다.
◇ 결과와 그 끝에
양자역학에서는, 보통 상식으로는 생각할 수 없는 현상이 일어나고 있다. 그걸 어떻게 설명하려다가 상태방정식이라는 게 나왔다. 이 상태방정식이 절대적으로 옳은지, 모든 현상을 설명할 수 있는지는 아직 모른다.
아직도 숨겨진 현상이 있어서 상태 방정식을 변경해야 할 수도 있다.
그러나 실험에 의하면, 3중 슬릿까지는, 상태 방정식은 올바른 것 같다고 하는 것을 알고 있다.
이대로 순조롭게 진행되면 나중에는 순식간에 이동하는 양자 텔레포테이션(teleportation. 염력(念力)으로 자기자신이나 물체를 이동시키는 것)도 가능해질 것이다.
출처: Exotic looped trajectories of photons in three-slit interference - nature
https://www.nature.com/articles/ncomms13987
