nature의 이중슬릿실험1

[rosetta]

천리안 과학그린비 물리학동호회에서 .... 이 글은 다음의 논문을 요약 정리한 글입니다. S. D\"urr, T. Nonn & G. Rempe, Nature(London) Vol. 395, pp. 33-37, Sep. 1998. "Origin of quantum-mechanical complementarity probed by a 'which-way' experiment in an atom interferometer" 이 글에서는 내용에 대한 비판이 없습니다. 단지 객관적으로 이 논문에 있는 내용을 요약 정리한 것입니다. 먼저 아래의 영문 요약을 잘 읽어보시기 바랍니다. ------------------------------------------------------ Abstract The principle of complementarity refers to the ability of quantum-mechanical entities to behave as particles or waves under different experimental conditions. For example, in the famous double-slit experiment, a single electron can apparently pass through both apertures simultaneously, forming an interference pattern. But if a `which-way' detector is employed to determine the particle's path, the interference pattern is destroyed. This is usually explained in terms of Heisenberg's uncertainty principle, in which the acquisition of spatial information increases the uncertainty in the particle's momentum, thus destroying the interference. Here we report a which-way experiment in an atom interferometer in which the 'back action' of path detection on the atom's momentum is too small to explain the disappearance of the interference patter. We attribute it instead to correlation between the which-way detector and the atomic motion, rather than to the uncertainty principle. ------------------------------------------------------ 양자역학에 대한 여러가지 논란에서 가장 중요한 내용은 이중슬릿을 통과한 전자가 스크린에 간섭무늬를 나타내는가 아닌가를 아는 것이죠. 일단 노벨상까지 받은 실험에 의하면 전자 를 이중슬릿에 통과시켰더니 간섭무늬가 나타났다는 "사실"이 사람 들을 점점 미궁에 빠지게 만들었죠. 간섭무늬가 나타났다는 것은 파동이 아니면 해석할 수 없는 현상으로 도데체 이러한 현상이 왜 일어나는가에 대한 해석이 분분하죠. 즉, 입자-파동의 이중성을 도데체 어떻게 설명해야 할까요? 이러한 이중성 문제 (보어의 상보성)를 알아보기 위해, 전자가 어느쪽 슬릿을 통과했는지를 알아내는 실험을 하면 (이론적이건 실제적이건) 간섭무늬가 사라지게 됩니다. 그러면, 어째서 간섭무늬가 사라지게 되는 것일까? 1. Einstein's gedanken experiment : 슬릿에 부딪힌 전자가 슬릿을 살짝 움직이고, 그로 인한 반동(recoil)으로 간섭무늬가 사 라진다. (주: gedanken - 독일어사전에서는 상상의.. 생각의.. 의 뜻) 2. Feynman's light microscope experiment: 이중 슬릿 근처에 광학현미경을 두고 전자가 어느 슬릿을 통과했 는지를 관찰하면 광학현미경에서 이용한 빛이 전자에 운동량을 전 달하기 때문에, 불확정성 원리에 의한 운동량 차기(momentum kick)가 발생하여, 그 후의 전자의 궤적이 모호하게 되어 간섭무늬 가 사라진다. 라는 두 가지의 해석이 있고, 현재의 교과서는 2의 입장이 실려있 습니다. 그 뒤의 Scully 등(Nature 351, 111-116, 1991)은 새로운 gedanke 실험을 준비해서 간섭무늬가 사라지는 이유는 불확정성 원리 때문이 아니라 which-way 검출기와 원자 빔 사이의 상관관계 때문이라는 것을 주장했는데, 이는 Storey 등 (Nature 367, 626-628, 1994)에 의해서 비판되었는데, Storey 등은 불확정성 원리는 항상 반동 차기 (recoil kick)을 유도해서 간섭무늬를 지워버리기에 충분하다는 것을 주장했습니다. 여기서 "상보성 원리가 불확정성 원리에 앞서는 것인가?"라는 의문을 제기하게 됩니다. 이때문에, Wiseman 등(Nature 377, 584, 1995/PRA 56, 55-75, 1997)은 이중 슬릿 실험에서의 운동량 전달을 측정할 수 있는 실험 을 구성했습니다. 이 들은 파인만의 광학현미경에서의 운동량 전달 을 "고전적" 차기라고 정했고, 이에 더해서 "양자적" 운동량 전달 이라는 개념을 새로 도입했습니다. 이 실험의 결과는 고전적 운동량 전달이 아닌 양자적 운동량 전 달로 인해 사라진다는 사실을 보였습니다. 이러한 맥락에서, Eichmann 등(PRL 70, 2359-2362, 1993)은 두개의 이온으로 된 슬릿에 빛을 통과시키는 슬릿 실험을 했는데, 이러한 실험은 그 실험장비 자체가 이중슬릿 효과가 있어서 비판 을 받습니다.