양자역학은 매우 복잡한 분야이고, 이해하기 어려운 학문이기에, 가능한 최대한 쉽게 이해할 수 있는 예시를 들어 함께 배워 보고자 합니다. 아주 유명한 양자역학의 핵심 개념 중 하나인 '파동-입자 이중성'을 설명해 보도록 하겠습니다.
파동-입자 이중성의 뜻
'파동-입자 이중성(波動粒子二重性, wave–particle duality)'은 글자 그대로 어떠한 물리적 현상이 파동처럼 행동하기도 하고, 입자처럼 행동하기도 하는 현상을 의미합니다. 이것은 양자역학에서 물질의 동작을 설명하는 데 사용되는 대표적인 개념 중 하나로 일상생활에서도 비슷한 개념들을 찾아볼 수 있습니다.
예를 들어, 물결이 바닷가로 밀려와 모래 위를 파도처럼 앞뒤로 움직이는 동시에 물결 자체는 파동 자체로 존재하는 것처럼 보입니다. 이때 물결은 '파동'의 특성을 가지면서도 모래 위로 전파되는 '입자'와 같은 존재이기도 한다는 뜻입니다. 사람을 볼때도, 우리의 몸은 단단한 입자로 존재하는 동시에, 우리를 둘러싸고 있는 개개인의 에너지는 파동으로 존재하고 있듯이, 우리 존재 자체가 파동-입자 이중성의 살아있는 증거라고 볼 수 있습니다.
물결의 예시에서 볼 수 있듯이, 물리적 현상이 파동과 입자의 특성을 동시에 가질 수 있다는 것은 이해하기 어려울 수 있지만, 양자역학에서는 이러한 현상들이 실제로 일어난다는 것이 아주 많은 실험을 통해 입증되었습니다.
양자역학은 아주 미세한 스케일, 원자와 입자들의 동작에서 이런 현상이 두드러지게 나타납니다. 하지만 일상적인 큰 물체들의 동작(사람, 자동차, 건물 등)은 우리가 평소에 인식하고 경험하는 것과는 매우 다르게 받아들여지기 때문에 직관적으로 이해하기는 어려울 수 있습니다. 하지만 작든 크든 모든 물체를 현미경으로 계속해서 들여다보면 결국엔 텅 비어있는 에너지로 존재하는 것은 변함이 없습니다.
'파동-입자 이중성 실험'은 양자역학에서 중요한 실험 중 하나로, 빛과 같은 입자나 파동 현상을 관찰할 수 있는 실험을 설명하는 개념입니다. 이 실험은 파동과 입자의 이중성을 확인하는데 사용되어 왔습니다. 파동-입자 이중성 실험을 아주 간단히 설명해 보겠습니다.
파동-입자 이중성 실험
1. 광원과 단일 슬릿
첫 단계는 광원에서 하나의 빛 입자(광자)를 발산하는 것입니다. 그런 다음 광자를 통과시킬 수 있는 슬릿이 있는 장치를 준비합니다. 이 슬릿은 매우 얇아서 광자가 한 번에 하나만 통과할 수 있습니다.
2. 스크린
슬릿 뒤에는 빛을 감지할 수 있는 스크린를 위치시킵니다. 이 스크린은 빛이 닿는 곳에 미세한 입자 센서나 감지기를 가지고 있습니다.
3. 파동 실험
먼저, 스크린을 끄고 슬릿을 하나로만 열어둡니다. 이때 광원에서 나온 빛은 하나의 슬릿만 통과하게 됩니다. 그러면 스크린에는 하나의 광자가 도달하는 지점에 밝은 점이 찍히게 됩니다. 이때 빛은 파동처럼 스크린에 여러 곳에 도달하는 모습을 보입니다.
4. 입자 실험
이번에는 스크린을 끄고, 슬릿을 두 개로 열어둡니다. 이때도 똑같이 광원에서 나온 빛은 두 개의 슬릿을 통과할 수 있습니다. 그러나 이제 스크린에 찍히는 점들은 조금 다르게 됩니다. 두 슬릿 사이에서 만난 빛 파동은 서로 간섭(interference)을 일으키는데, 이로 인해 어두운 점들과 밝은 점들이 번갈아 나타납니다. 이런 결과는 빛이 입자처럼 한 점에서만 충돌하는 것이 아니라 파동으로서의 성격을 나타내는 결과입니다.
끌어당김의 법칙과 마음공부에서 얘기하는 부분과도 일맥상통합니다. 사람이 광원에서 나오는 빛을 입자라고 인식하고 바라보고 있을 경우에 스크린에는 하나의 광자가 도달하는 지점에 밝은 점이 찍히게 되고(왼쪽 이미지), 이를 관찰하지 않을 때는 빛이 파동처럼 스크린에 여러 곳에 도달하는 모습(오른쪽 이미지)을 보인다는 것입니다. 결국 자신과, 삶, 그리고 세상은 내가 어떻게 바라보고 인식하냐에 따라서 해석이 달라질 수 있다는 의미로 이해할 수 있습니다.
이 대표적인 실험은 파동으로서의 빛과 입자로서의 빛 모두를 동시에 보여주는데, 이러한 현상은 양자역학에서 일어나는 것으로 이해됩니다. 양자역학은 이렇게 입자와 파동의 이중성이 관찰되는 현상들을 설명하고 이해하는데 매우 중요한 이론이라고 할 수 있습니다.
If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet.
(양자역학을 접하고서도 놀라지 않는 사람은 그것을 제대로 이해하지 못한 사람이다.)
- Niels Bohr (닐스 보어) -