[지식보관소] 빛이 입자이자 파동이라고 어설프게 알지 말자. 양자역학 2편

 

 

아무튼 이 결과에 대해 토마스 형은

빛이 아주 작은 알갱이, 즉 입자들로 이루어져 있다면

불가능한 현상이라고 해석했는데요

이게 바로 빛을 파동이라고 해석한 것입니다.

아니, 그러면 대체 파동이라는 건 무엇일까요?

 

 

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양자역학을 대충 어디에서 들어서 알고 있는 분들은

‘빛은 입자이자 파동이다’라는 사실을 알고 있을 텐데요

사실 이건 빛에 대해서 결과론적으로 나온 결과의 일부일 뿐입니다.

 

그래도 양자역학에 대해 물어봤을 때

빛의 이중성에 대해 이야기하는 사람은 그나마 양반인데요.

어떤 사람들은 양자역학이 뭔 줄 아냐고 물어보면

자신 있게 고향이라고 말하기 때문이죠.

 

아무튼 중요한 건

빛이 입자이자 파동이라고

어설프게 알고 있는 것에 대해서 이야기하려고 하는데

이 이야기는 빛이란 무엇인가를 궁금해 왔던

과거부터 계속돼 온 이야기입니다.

 

고대 철학자 아리스토텔레스 또한

빛이란 어떤 파동이 진행하여 생기는 결과일 것으로 예측하였는데요.

그 후로도 뉴턴은 빛이 입자로 되어 있다고 주장하는 등

수많은 학자들 사이에서 빛은 대체 무엇이냐는 질문은

오랫동안 뜨거운 이슈였습니다.

 

이렇게 빛은 과학적으로 정체를 파악하기 힘든 물체였기 때문에

수많은 종교에서도 빛은 신과 매우 밀접한 관련이 있다고 생각해 온 것인데요.

하지만 이렇게 막연한 상상 속의 물질이었던 빛의 정체성은

17세기 토마스 영이 이중슬릿 실험을 하면서

빛이 파동이라는 걸 알아내는 데 성공하게 됩니다.

 

이걸 대체 어떻게 알아냈냐면

예를 들어서

카드에 아주 작은 구멍을 뚫고 그 구멍을 통해서 빛을 쏘면,

만약에 빛이 입자라면 그 구멍을 통과한 빛은

반대편에 그 구멍 모양에 맞춰서 도착을 하겠죠.

 

하지만 토마스 영의 실험에서는

여러 개의 크고 작은 빛들이 교대로 뒤편에 나타났던 겁니다.

이것을 ‘빛의 간섭무늬’라고 부르는데요.

 

아무튼 이 결과에 대해 토마스 형은

빛이 아주 작은 알갱이,

즉 입자들로 이루어져 있다면 불가능한 현상이라고 해석했는데요

이게 바로 빛을 파동이라고 해석한 것입니다.

 

아니, 그러면 대체 파동이라는 건 무엇일까요?

간단히 말해서 바닷물에 파도가 퍼져나가는 것을 파동이라고 볼 수 있는데요

여기서 중요한 건

바닷물에 파도가 생길 수 있으려면 바닷물이 있어야 되겠죠.

파도가 어떤 힘에 의해 바닷물이 출렁이는 현상일 뿐이므로

빛이 파동이라고 한다면

빛 또한 바닷물 같은 어떤 물질이 출렁이는 결과여야 한다는 것이죠.

 

아무튼 토마스 형의 이중 슬릿 실험으로 인해

빛이 무엇인지에 대한 설명은 종지부를 찍는 것으로 보였습니다.

하지만 19세기가 되면서

현대물리학에 엄청난 영향을 끼친 그분이 등장합니다.

바로 아인슈타인이었죠.

 

많은 사람들이 타인이형이

상대성이론으로 노벨물리학상을 받은 것으로 착각하고 있는데,

실제로는 1919년 아인슈타인이 발표한 광전효과로 인해

노벨물리학상을 타게 됩니다.

 

이 광전효과가 무엇이냐면

빛이 입자여야지만 일어날 수 있는 현상으로

광자가 원자에 있는 전자들과 충돌할 때

그 에너지로 전자가 튀어나오는 현상입니다.

 

이 광전효과는 매우 유용해서

실생활에서 딱히 쓸 데가 없는 상대성 이론과 달리

태양광 발전이 가능한 원리도 이 광전효과로 인해 일어나는 현상이죠.

 

이뿐만 아니라 여러분이 엘리베이터를 탈 때, 우리 몸을 감지하면

문이 자동으로 열리는 엘리베이터의 그 센서 또한

엄밀히 말하면 이 광전효과 덕분에 가능하다고 볼 수 있습니다.

 

아무튼 이런 광전효과로

인류는 다시 빛이 입자라는 사실을 받아들여야 했는데요.

타인이형은 영의 이중슬립 실험을 통해 생기는 간섭무늬까지

광전효과를 통해 많은 광자들이 서로 영향을 주고받은 결과로 해석을 하게 되는데요.

하지만 현재 밝혀진 사실은 이것보다 매우 충격적입니다.

 

날아가는 빛에서 실제로 일어난 현상은

이것보다 훨씬 더 충격적이라는 것이죠.

이제 슬슬 소름 돋아야 하는 파트가 다가오는데요.

그러면 이중슬릿을 향해 전자를

딱 1개만 발사한다면 어떤 일이 일어날까요?

 

사실은 이 실험은 전자로 진행되었으나

전자나 광자 모두 동일한 현상이 일어난다는 것을 이후에 설명할 예정이니까

그냥 광자로 설명하겠습니다.

타인이 형의 설명대로면

두 개의 구멍 중 하나의 구멍만 통과하거나

애초에 발사 방향이 잘못됐으면

뭐 아예 통과하지 못해야 되겠죠.

 

그런데 문제는 광자를 단 한 발만 발사하는 상황에서도

간섭무늬가 생긴다는 겁니다.

그래서 ‘아니 이게 대체 무슨 기괴한 일이야’ 하고

중간에 광자가 어떤 구멍을 통과하는지 관측을 시도를 하면

분명히 같은 조건이었는데

이번에는 광자가 두 개의 구멍 중 1개의 구멍만 통과하게 됩니다.

 

이번에 달라진 점은

중간에 우리가 어떤 일이 일어나는지 관측을 했다는 것인데요.

이게 소름인데

우리가 날아가는 광자를 관측하지 않는다면

딱 한 개의 광자가 두 개의 구멍을 동시에 통과하는 일이 가능하다는 겁니다.

 

그러니까 다시 설명하자면

빛이 A에서 B 지점으로 이동할 때

아무런 관측을 당하지 않는다면

“나 아무도 못 봤겠지, 그러면 잠깐만 나루토처럼 분신술 좀 써볼까?”

뭐 이런 식으로 행동한다는 건데요

말도 안 되죠.

 

일상생활에서 경험하는 우리의 경험과는

완전히 위배되는 일이 일어난다는 겁니다.

정말로 믿을 수 없는 일이 일어나는 건데요.

 

 

지금 보시는 이 분자는 풀러렌이라고 하는 분자입니다.

고분자 물질로 모두 탄소 원자로 이루어져 있습니다.

당연히 우리 몸을 구성하는 것과 동일하게 원자들로 이루어져 있다는 거죠.

 

그런데 제가 갑자기 풀러렌 이야기를 하는 이유는

최근에 이 풀러렌이라고 하는 분자도 마찬가지로

이중슬릿을 통해 발사되었을 때

특정 조건에서는 빛처럼 파동이 된다는 겁니다.

 

그 특정 조건은 거의 완전한 진공 상태에서 굉장히 빠른 속도로 발사되었을 때

‘우리로부터 관측이 되지 않는다면’이라는 조건입니다.

 

그러니까 빛이나

우리 몸과 우리의 핸드폰을 구성하고 있는 물질들이나 마찬가지로

관측하지 않는다면

두 개의 구멍 중 어디로 통과하는지 특정이 되지 않게 된다는 겁니다.

 

아니, 이게 무슨 해괴망측한 소리일까요?

이 해괴망측한 소리를 해석하면 이렇게 해석할 수 있습니다.

 

예를 들어볼게요.

만약에 우리가 온라인 게임을 만들었다고 생각을 해볼까요?

이 온라인 게임의 이름을 배틀언더그라운드라고 해봅시다.

이 게임은 서로 총을 쏘는 게임인데,

만약에 내가 상대방한테 총알을 쐈다면

그 총알이 어디로 날아가서 어디에 맞았는지 연산을 할 필요가 있습니다.

왜냐하면 이 총알이 상대방이 명중하면

여러 조건들에 따라 적절한 데미지를 상대방한테 줘야 할 테고,

결국 그 총알의 상태가 게임에 영향을 주기 때문에

연산이 필요하다는 거죠.

 

하지만 아무런 오브젝트가 없는 허공에다가 총알을 쏜다면

이 총알의 움직임이나 영양을 쓸데 없이 연산을 할 필요가 없죠.

 

사실 우주가 동작하는 원리가 이런 게임과 같아서

관측을 하지 않는 것에 대한 연산을 할 필요가 없다는 겁니다.

즉, A에서 B 지점으로 물체가 이동하는 동안

어떠한 물체와도 상호작용하지 않았다면

그 물체의 이동은 연산을 할 필요가 없는 것으로 간주된다는 것이고

이것이 이중슬릿 실험으로 나타난 것이죠.

 

결국 이중슬릿 실험은

빛이 너무 작고 빨라서

슬릿을 통과할 동안 그 어떤 물체와도 부딪히지 않았고

따라서 우주는 이 빛의 움직임을 연산할 필요가 없었다는 겁니다.

 

그래서 빛 대신 훨씬 더 큰 물체라고 하더라도

완전히 진공 상태에서 다른 물체와 상호작용하지 않고 움직인다면

연산할 필요가 없어지는 거죠.

 

그래서 풀러렌이 진공에서 발사되었을 때

중간에 관측을 하지 않는다면

빛처럼 분신술을 쓰는 현상이 발견이 되는 겁니다.

와, 이거 소름 아닌가요?

 

우리가 살고 있는 우주도

게임에서 일어나는 최적화처럼 최적화를 통해서 움직인다는 거죠.

따라서 다음 편에서 양자역학의 불확정성 원리에 대해 설명할 건데

불확정성 원리도 마찬가지로

원자 역시 매우 작은 크기이기 때문에

진공인 원자 내에서 움직이는 전자의 움직임은 연산할 필요가 없다는 것이고

아무에게도 측정 당하지 않는 전자의 움직임을

우주가 연산할 필요가 없다는 겁니다.

 

그러다가 우리가 측정을 당하면

이런 전자의 현재 상태가 특정이 돼야 하고

그러면서 우리가 이해할 수 없다고 생각했던 현상들이 생기는 거고

그 현상들이 불확정성 원리라는 이름으로 알려지게 된 겁니다.

 

아무튼 뒷이야기는 훨씬 더 재미난 이야기가 될 텐데

영상 길이 상 다음 편에서 이어서 하겠습니다.