보통 양자역학과 관련해서 특히 빛이 입자냐 파동이냐와 같은 주제를 다룰때는 이중슬릿 예를드는 경우가
많은데 역사적인 맥락에서는 이중슬릿을 예로 드는게 맞기는 하지만 사실 이중슬릿이냐 단일슬릿이냐는
그리 중요하지는 않습니다. 중요한건 Coherence(결맞은상태)한의 광원이 준비되었느냐와 간섭무늬(현상)를
볼수 있느냐입니다. 물론 단일슬릿보다 이중슬릿이 간섭무늬가 더 선명하게 나타나기는 합니다만 불확정성
원리를 이해한다는 측면에서는 단일슬릿이 보다 직관적으로 이해에 도움을 줍니다.
1. 입사된 놈이 순전히 입자라고 가정할때 (정확히 슬릿구멍에 수직으로 쏜다고 가정할때)
슬릿을 지나고 스크린에 어떻게 찍힐까요? 파동처럼 간섭무늬가 생길까요?
여러차례 입자를 소스로부터 입사시켰을때 정확히 슬릿의 너비 b만큼의 범위안에서
슬릿을 지나서 스크린에 그대로 찍히겠죠. 이건 이해하는데 별 무리가 없을것입니다.
2. 입사된 놈이 순전히 파동이라고 가정할때
그럼 고등학교때 이미 배우셨듯이 위와같은 회절무늬이자 간섭무늬를 보실수 있을것입니다.
참고로 간섭무늬는 무조건 회절무늬의 일종입니다. 회절이라는 현상이 없으면 간섭무늬는
절대 나타날수가 없습니다.
3. 문제의 양자역학에서 말하는 파동이자 입자라면?
(간단한 시뮬레이션을 보여주는 플래시가 안올라가지는군요 위에 링크를 활용하셨으면 합니다)
먼저 아래 좌측상단부터 시계방향으로 4가지 게이지 슬릿너비,스크린까지의 거리, 스크린 스케일, 파장
이렇게 4가지 게이지가 있습니다. 나머지 게이지들은 상황에 따라 보기좋게 알아서 조정하시고
중요한 죄측상단의 너비게이지를 최대로했다 최소로했다 해보죠.
너비를 최소로 했을때 스크린의 가운데 보강간섭의 너비가 가장 커진다는걸 알수있고 너비를 최대로
했을때 보강간섭의 너비가 최소가 된다는걸 알수 있습니다. 나머지 보강간섭들도 같은 패턴을 보입니다.
여기서 질문
a. 슬릿의 너비를 극단적으로 줄였을때 스크린에 생기는 간섭무늬의 너비는?
b. 슬릿의 너비를 극단적으로 넓혔을때 스크린에 생기는 간섭무늬의 너비는?
그렇다면 이게 이게 양자역학적으로 뭔 의미냐?
다음 그림을 살펴보죠
고전적 입자관점에서 보면
스크린에서 슬릿너비 b영역 바깥쪽에 찍힌 부분은 슬릿을 통과하면서 운동량 성분에 뭔가 이상이
생겼다는걸 의미합니다. 그래야 그리 찍힐수가 있으니까요. 위아래방향을 그림에서처럼 y축이라고
한다면 운동량 보존의 법칙에 의하면 입자가 그쪽방향으로의 운동량성분이 존재해서는 안됩니다.
그렇다면 슬릿끝에서 뭔가 상호작용이 있어서 그 성분이 생겼다?
그럴경우는 편향의 경우로 종모양처럼 퍼질수는 있겠지만 간섭무늬는 생기지가 않죠.
비스듬하게 입사되었다 해도 마찬가지입니다.
간섭무늬가 나타난다는건 철저히 회절현상이 있었다는 뜻이고 파동적인 성질에 기인한 현상이라는
뜻입니다. 그렇다면 y>b/2 or y<-b/2 영역에 생긴 무늬는 입자적으로 어떻게 설명해야 할까요?
이걸 흔히 관찰자 효과라는 용어를 사용해서 이해하는 경우가 있습니다. 측정이라는 행위가 대상에
영향을 끼쳤다는 의미지만
본질은 측정이라는 행위가 대상에 영향을 끼친것이 아니라 입자의 파동적 성질이 만들어낸
자연스러운 현상입니다.
이러한 파동적 성질은 위에서 언급한 y방향으로의 운동량성분을 어떤 확정된 값으로 고정시
키지 않습니다. 관측이란 위 실험의 Slit (너비 b)를 놓는 행위이지 역학적으로 대상과 상호작용을
하는 행위가 아닙니다.
굳이 회절현상을 언급하지 않아도 입자가 파동적 성질을 나타낸다고 해봅시다.
파동을 수학으로 묘사할때 사인함수를 사용하는데 이녀석의 값이 위상에 따라 계속 달라지는걸
알수 있습니다. 물질이 고유한 파동을 가지고 있다는 자체가 고전적으로는 설명이 불가능하
고 측정의 불확정성을 내포할수밖에 없죠.
그래서 양자적 세계로 들어가면 어떠한 대상을 묘사할때는 위 모양과 같은 Wave packet으로 이해를
하는것입니다. 하나의 점이 아니라 퍼져있는 모양이죠.
입자가 점이 아니라 이렇게 퍼져있는 파동패킷으로 표현되는 이유는 양자적 세계가 거시적인 측정도구
로 (슬릿실험에서 슬릿을 놓는 행위) 보면 저런식으로 표현할수밖에 없기 때문입니다. 상호작용이
아니라 그냥 자연스러운 물리적 현상이고 이것이 불확정성 원리나 상보성의 핵심입니다.
예를들어 보죠. 원자는 주위를 감싸고 있는 전자와 중심의 양성자나 중성자로 이루어진 원자핵으로
이루어져 있습니다. 그런데 왜 전자는 원자핵 주변으로 껍질처럼 멀리 퍼져있고 원자핵은 원자의
중심에 놓여있는것일까요? 역학적으로 보자면 둘의 질량차이가 크기 때문아니냐로 설명할수도 있
겠지만 불확정성 원리로 보자면 양성자나 중성자는 질량이 크기 때문에 ΔxΔp=>constant라고 할때
Δp값이 상대적으로 커질수밖에 없죠. 따라서 Δx값이 작아질수밖에 없고 전자에 비해 상대적으로
협소한 영역에 머물러 있을수밖에 없죠. 원자핵이 전자처럼 퍼진 영역에 존재하려면 원자핵의
속도가 광속을 초과해야 합니다. 아시다시피 그건 물리적으로 불가능하죠.