양자역학 이중 슬릿에서는 어떤 일이 일어나고 있는가? (2)

[pmop]

이어서 설명해보겠습니다. 이제 3번 실험을 진행합니다.

실험 3: 실험 세팅( S(0.01) ) 상황에서 원점 O에 전자 총을 위치시키고 이중 슬릿을 향해 난사합니다. (슬릿 뒤 검출기를 설치하지 않습니다.)

  실험 3-1: 실험 3와 동일한 상황에서 1번 슬릿을 닫고 진행합니다.

  실험 3-2: 실험 3와 동일한 상황에서 2번 슬릿을 닫고 진행합니다.

결과: 실험 3-1에서 얻게 되는 확률 분포와 실험 3-2에서 얻게 되는 확률 분포를 평균내면 실험 3의 확률 분포와 일치하지 않습니다. 오히려 실험 2에서 얻었던 확률 분포와 일치합니다. 실험 3에서 얻는 확률분포는 어태껏 실험을 진행하며 얻어왔던 어떤 확률분포와도 일치하지 않습니다. 왜 이렇게 다른 확률 분포를 얻게 되는 걸까요? 실험 1, 실험 2와 비교해보니 달라진 상황은 입자가 슬릿 중 한 곳을 통과했는지 확인하는 과정을 거치지 않았습니다.

  그런데 여기서 물리학자들은 재밌는 사실을 발견합니다. 실험 3의 확률 분포가 파동에서 일어나는 중첩현상으로 설명할 수 있다는 점입니다. 이중 슬릿에 전자기 파를 쏘게 되면 전자기파는 슬릿 1과 슬릿 2를 동시에 통과하여 스크린에 도달하는데 각 전자기파에 대응하는 전기장을 합한 후 제곱하면 스크린에 생긴 빛의 세기가 됩니다. 이렇게 생긴 무늬와 앞서 실험 3에서 얻은 확률분포가 비슷한 형태인 것을 발견하게 됩니다.

  처음에 물리학자들은 이런 중첩 현상이 생기는 이유가 빛 알갱이들어 서로 간섭하기 때문이라 여겼습니다. (앞선 실험 1,2,3과 달리 여기서는 빛의 다발을 발사하기 때문입니다.) 하지만 프랑스의 물리학자 Alain Aspect의 실험으로 입자가 하나씩 발사 되어 스크린에 도달하더라도 같은 확률 분포를 얻을 수 있음을 알게 됩니다. 이 사실을 알게 된 물리학자들은 그 실험 결과에 놀라며 입자가 자기 스스로 간섭을 한다고 표현했습니다. 

 그렇다면 실험 3에서 입자는 어떤 경로를 택해 갔던 걸까요? 먼저 슬릿 1만을 통과 했다고 가정해 봅시다. 하지만 슬릿 1만 통과했다고 가정했으므로 슬릿 2는 통과하지 않습니다. 이 상황은 실험 2-2와 정확히 일치합니다. 그리고 마찬가지로 슬릿 2만 통과한다고 가정하면 슬릿 1을 통과하지 않고 이는 실험 2-1에 정확히 일치하는 상황입니다.

  이제 실험3에서 전자가 슬릿 1만을 통과하거나 슬릿 2만을 통과한다고 가정해 봅시다. 그 상황은 실험 2-1과 2-2가 확률 1/2로 일어나는 현상으로 정확히 실험 2에 대응됩니다. 하지만 실험 2에서 얻은 확률분포는 실험 3에서 얻는 확률 분포와 일치하지 않습니다. 이는 모순입니다. 따라서 실험3에서 전자는 슬릿 1만을 통과하거나 슬릿 2만을 통과하지는 않습니다. 분명 슬릿을 통과하여 갔는데 슬릿 1만을 통과하거나 슬릿 2만을 통과하지 않았으니 전자가 두 슬릿을 모두 통과하였다고 할 수 있습니다.

 하지만 여기서 중요한 것은 전자가 어느 슬릿을 통과해 갔냐 자체가 아닙니다. 전자가 두 슬릿을 동시에 통과한다는 것은 논리상으로 나온 결론이지 우리가 상상할 수 있는 영역이 아니거든요. 중요한 것은 전자가 둘 중 어느 슬릿을 통과해 갔는지 아는 것과 이를 모를 때  상황이 분명히 구별된다는 것입니다. 실험 3에서 양자 상태는 둘 중 하나의 슬릿을 지난다는 사실이 명백한 실험 2와는 다른 확률 분포를 제공합니다. 이는 결정론적인 결과값을 제공하는 고전 역학에서는 설명할 수 없는 양자 상태(본 예에서는 중첩상태)가 존재한다는 증거이기도 합니다. 

-끝-

(글에 의문이나 논리적 반박을 기다립니다.)

[나비]

잘 읽었습니다. 덕분에 중첩에 대한 개념정리를 끝냈습니다. ㅋㅋ 감사합니다^^

[나비]

이중슬릿에서 중첩에 대한 새로운 논리를 제시하는 것은 제게는 즐거운 일이지만 다른 분들에게는 엄청난 스트레스가 될 수도 있고 단시간에 그걸 해결한다는 것은 어려운 일이기 때무이기도 합니다. 그래서 새로운 논리를 제끊임없이 제시하는
것은 하지 않을 생각입니다. ㅋㅋ

[pmop]

나비님, 도움이 되셨다니 다행이네요. 먼저 위 얘기들이 많은 책에서 소개된 얘기인점 밝힙니다. 그래도 이해를 바탕으로 글을 쓰는 사람이 저이다보니 혹여 오류가 생겼을까 염려되었습니다. 나중에라도 그런 부분이 확인되면 수정하겠습니다. 그리고 다른 분이 발견해 주신다면 확인 후 반영토록 하겠습니다.^^ 그리고 위 글은 중첩 상태라는 우리가 여태껏 알지 못한 상태가 존재한다는 단서에 불가합니다. 중첩을 이해하는 것은 정말 어려운 일 입니다.

[나비]

그런 수고까지 해주신다면 고마울 따름입니다.^^

[시민J]

좋은 글 재밌게 읽었습니다.
위와 동일한 이중슬릿실험을 전자 대신에 광자를 하나씩 발사하면서 실행하여도 같은 결과, 즉 점묘화법(?)으로 그려진 간섭무늬를 얻을 수 있다는 얘기를 들었습니다.
광자를 이용한 실험도 매우 신기하게 느껴집니다. 혹시 광자를 이용한 실험에 대해 좀 더 구체적인 정보를 얻을 수 있을까요? 실험에 사용된 광자의 에너지와 광자 검출 방식 등이 궁금하네요.