※본 글은 '스와코'라는 캐릭터가 말하는 대화체로 구성되어 있기 때문에 오글거릴 수 있습니다.
※글쓴이가 고3인 관계로 물리학 대학과정을 밟지 못했습니다. 따라서 전공자가 보기에는 심히 거슬리거나 틀린 부분이 존재할 수 있습니다.


-목차-
1.인사말,소개 --------------- 요번 글
2.입자의 파동성과 확률------- 요번 글
3.일상적 확률과 양자적 확률
4.관측과 슈뢰딩거의 고양이 역설
5.풀러렌 이중슬릿 실험과 관측
6.슈뢰딩거의 고양이 역설 해결





1.인사말,소개

 

안녕 글쓴이가 빨아대는 스와코야. 

글쓴이가 블로그(http://blog.naver.com/olwwgg)에 글을 싸질러 놨는데 반응이 다고 오이갤로 출장왔어.(블로그 홍보라니 글 내려주세요)


뭐 글 주제는 제목 그대로 슈뢰딩거의 고양이 역설이야.

'공개적인' 게시물이기 때문에 특정 분야(동방 프로젝트 등)의 지식이 없는 사람들이 이해할 수 없는 말이나 드립 등은 최대한 자제할게.

 

...

 

뭔가 거창하게 타이틀은 '인사말,소개'인데 딱히 쓸 내용이 없네

후딱후딱 본편으로 넘어가자.


2.입자의 파동성과 확률


일단 슈뢰딩거의 고양이 역설을 이해하려면 양자역학의 몇가지 지식이 필요해.

다들 양자역학의 요상한 면에 대해서는 조금씩은 들어 봤을거야. 죽어있으면서도 살아있는 고양이라던지 순간이동하는 입자라던지 뭔지는 모르겠지만 쓰면 유식해 보이는 하이젠베르크의 불확정성 원리라던지...

들어본것처럼 양자역학은 우리의 "상식"에 맞지 않은 이야기들을 우리에게 들려주고 있어.(마치 종교처럼 말이지)

어떻게 이런 상식에 맞지 않고 과학적으로 보이지도 않은 양자역학이 기존의 역학을 한 순간에 "고전"역학으로 만들어 버리고 주류과학의 자리를 차지하게 됐을까?

이에 대해 처음부터 설명하려면 양자 가설이니 파동의 입자성이니 하는 것부터 따져야 하니까 이 글에서는 말할 내용에 관련된 것만 설명해 줄게.


소제목에도 나와 있지만 이번 쳅터의 주제는 '입자의 파동성'이야.

입자가 파동의 성질을 띤다는 입자의 파동성(물질파)이론은 드브로이가 "오 파동이 입자성을 띤다면 그 반대로 입자도 파동성을 띠지 않을까?"라는 생각으로 주장했지. 아무 근거도 없이.

몇년 후 데이비슨 등이 "밀도가 균일한 전자빔을 특정 속도로 발생시켜 니켈 결정을 향해 발사했을 때 전자가 산란되는 정도를 거리의 함수로 측정"해 입자의 파동성을 증명했어.

그런데 이 실험은 좀 복잡하니까(사실 주인장도 몰라) 더 간단한 실험인 '전자 이중슬릿 실험'으로 설명할게. 이 실험도 같은 결론에 도달할 수 있어.




...

포토샵까지는 바라지 않았는데 깔끔하게 그림판으로 그릴 것이지 공책에(그것도 줄 그어진!) 그림 찍찍 그려놓고 폰카로 대강 찍어 올리다니...

 

실험은 위 그림과 같아. 

전자총(전자를 방출함)을 이중슬릿(두 개의 얇은 틈)이 나 있는 중간판에 발사해 그 뒤에 있는 스크린에 도달한 전자를 검출하는 실험이지.

여기서 쏘아보낸 전자는 확실한 "입자"야.

그리고 "입자"라면 기관총을 들고 작은 틈을 향해 투다다다다다다 쏘는 것과 마찬가지로 전자 몇몇개만이 이중슬릿을 통과하고 똑바로 직진해 스크린에는 두 줄무늬만 남아야 하지. 총알이 벽을 뚫지 않은 이상.

 

그런데 실험 결과 위 그림처럼 스크린에는 여러 개의 줄무늬가 생겼어.

뭐지? 전자가 총알처럼 중간판을 뚫고 스크린에 도달한 건가?

하지만 전자에게는 벽을 뚫고 진행할만한 에너지가 없어.

그리고 만약 벽을 뚫고 진행했다면 스크린에는 온통 전자가 도달해 찍힌 점으로 가득 차야 하는데 스크린에는 전자가 도달해 생긴 줄무늬 사이에 전자가 전혀 도달하지 않은 곳도 있어.

다시 기관총에 비유해보자면 작은 틈을 향해 총을 투다다다다다다 쐈는데 건너편 벽에는 총알이 박힌 자국이 일렬로 여러 줄무늬가 나있었다! 라는 것과 똑같아. "정상적인 입자"라면 전혀 일어나면 안될 일이 일어났지.

물리학자들은 페닉에 빠졌어.


그러다 어느 한 물리학자가 이런 제안을 했지.

"슬릿을 통과한 전자가 서로의 전자기적 척력 때문에 밀려나서 이런 줄무늬가 만들어진거 아님?"

솔깃한 물리학자들은 오오오 하며 전자총에서 전자가 한 번에 한 개 씩만 나오도록 조정하고 다시 실험했지.

그런데 분명히 하나씩 튀어나왔을 전자들이 스크린에 도달하면서

점을 하나씩 만들더니

시간이 지나자 이전 실험과 똑같은 여러개의 줄무늬를 만들었어.



물리학자들의 심리상태.jpg


대페닉 멘붕

입자라고 믿고있던 전자가 이렇게 뒷통수를 치다니 요를레이히~


그런데 여러 줄무늬를 유심히 본 한 물리학자가



그래, 전자 이중슬릿 실험에서 스크린에 남은 여러개의 줄무늬는 수면파 이중슬릿 실험의 결과(간섭무늬)와 완전히 같았던거야.


수면파 이중슬릿 실험이 뭐냐고?

전자 이중슬릿 실험하고 똑같아. 다만 전자 대신 수면파를 이용할 뿐이지.



위 발퀼 그림처럼(맙소사, 이건 화질까지 좋지 않아) 파동 발생장치(그냥 막대를 위아래로 왕복운동시켜 파동을 만드는 장치야)에서 나온 파동이 이중슬릿을 지나 회절하고 서로 간섭해 끝의 파고 감지기에는 서로의 상쇄간섭으로 수면의 변화가 없는 곳이 생기지. 이게 물결파로 만들어진 간섭무늬야.

이 실험에는 아무런 문제가 없어. 회절과 간섭은 파동의 성질들이니까.


문제는 엄연한 입자인 전자가 회절과 간섭이 있어야 만들어지는 간섭무늬를 만들어 냈다는 거지.

그리고 회절과 간섭은 파동만의 특징, 따라서 여태까지 입자라고 굳게 믿고 있던 전자를 이제부터 파동이라고 생각해야 해.

 

그러면 전자가 만드는 파동을 '전자파'라고 생각해 보자.(전자기파의 약자가 아냐)

이 전자파는 실제하는 파동이 아닌, 전자가 발견될 장소와 확률을 알려주는 추상적인 파동이야.

그리고 전자는 이 전자파 내부의 어디에라도 존재할 수 있지.

그런데 이 '어디에라도 존재할 수 있다'는 바꿔 말하자면 '모든 곳에 동시에 존재한다'야.

이게 무슨 개소리냐고?

전자 이중슬릿 실험의 결과를 설명하려면 이렇게 가정해야 해.


잠깐 수면파 이중슬릿 실험으로 돌아가서, 수면파가 이중슬릿을 통과하고 회절하고 서로 간섭해 간섭무늬를 만들었다고 했지?

그런데 서로 간섭하려면 수면파가 이중슬릿을 동시에 통과해야 해.

이중슬릿을 동시에 통과한 후 각각의 슬릿에서 새로 만들어진 파동이 진행하다가 서로 옆 파동과 간섭해야지 만들어 지는게 간섭무늬야.

만약 파동이 어느 한 슬릿만 통과했다면 이런 간섭무늬는 만들어 지지 않지.



전자도 마찬가지야. 전자로 이중슬릿 실험을 해본 결과 분명히 간섭무늬가 만들어 졌어.

이는 "전자가 가상의 파동(전자파)이 진행하면서 따라 움직이는데 가능한 모든 경로를 동시에 거치면서 간다."고 해석해야 설명할 수 있지.

이 말이 무엇인고 하면

전자는 이중 슬릿을 통과할 때 "두 슬릿을 동시에 통과"했다는 거야.

비현실적이라고? 엄연한 사실이야!

양자역학을 이해하려면 상식을 버려야 해.

"전자는 어찌됐든 입자니 두 슬릿 중 하나만 통과했다"고 생각하는건 수면파 이중슬릿 실험에서 하나의 슬릿을 막아놓고 실험하는것과 똑같아. 간섭무늬가 만들어 지지 않지.


그런데 이러면 또 의문이 생기지?

"분명히 이 개구리 신(나)은 전자는 전자파를 따라서 가능한 모든 경로를 동시에 거치며 존재한다고 했는데, 그러면 왜 이중슬릿 실험에서 전자를 한 개씩 보내면 스크린에는 점이 한 개씩 찍히지?" 라는 의문 말이야.

이상하지? 전자가 '전자가 발견될 장소와 위치를 알려주는 추상적인 파동'인 '전자파'의 어느 곳에든 존재할 수 있고 모든 곳에 동시에 존재한다고 했는데, 왜 스크린과 맞닿은 부분에는 그러지 않아서 전자 한 개에 하나의 점밖에 찍히지 않을까? 

진짜 모든 곳에 동시에 존재한다면 전자 한 개 만으로도 스크린에는 점이 빼곡히 찍혀야 하는데 말이야.

 

이 의문점은 "전자파는 단지 전자가 발견될 장소와 그 확률을 알려주기 때문에 스크린과 맞닿은 부분에 도달한 전자파의 넓은 면적 중에서 확률에 따라 어느 한 곳에 전자가 존재하게 되었다." 라고도 설명은 할 수 있어.

하지만 이 설명을 하면 "뭐야, 방금 전에는 전자가 전자파의 모든 곳에 동시에 존재한다며?" 등의 반발이 튀어나오지.

'관측에 의한 파동함수의 환원'으로 전자가 스크린에 도달했을 때는 파동성을 잃고 한 곳에 존재하게 되었다.'라고 설명하는게 가장 바람직하지만...

아직은 이 설명을 할 차례가 아냐. 다음편에 해 줄게. 아무런 밑밥 없이 그런 설명을 하면 머리만 혼란스러워 지거든.


눈치 빠른 사람들은 내가 스치듯이 말한 '관측에 의한 파동함수의 환원'에 눈이 갈 거야.

그래, 그 말 그대로 입자를 '관측'하면 그 입자는 파동성을 잃고 우리가 아는 "입자"가 되지.

(물론 모든 물리량이 정확한 "고전적 입자"가 아니라 불확정성의 원리에 의해 어느 한 물리량이 정확해지면 다른 물리량이 부정확해지는 그런 "양자적 입자"가 되지만 말이야.)


'파동성을 잃는다'가 좀 추상적이라고?

그러면 전자 이중슬릿 실험으로 설명해 줄게.

전자 이중슬릿 실험에서 사람이 두 슬릿을 빤히 쳐다 보면서(물론 실제로는 기구를 통해서 관측하겠지) "전자가 어디로 갔나~"하고 관측한다면

전자는 두 슬릿을 동시에 통과하는 묘기를 보여주지 않아.(츤츤거리긴) 한번에 하나의 슬릿만을 통과하지.

그러는 중에는 간섭무늬가 생기지 않게 돼.

내가 전에 전자는 '파동성을 가지고 있어서 전자파 내부의 모든 곳에 동시에 존재한다'라고 했지?

그런 전자를 '관측' 했더니 '존재 가능한 모든 곳에 동시에 존재하는'파동성을 잃고 한 곳에 존재하게 됐어.

이런게 관측에 의해 파동성을 잃는 거야.

참고로 관측을 했을 때 그 곳에 입자가 발견될 확률은 그 입자를 서술하는 파동함수(전자의 경우에는 '전자파'가 되겠지)가 알려주는 그 시간에 그 곳에서 입자가 존재할 확률과 같아.



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바로 다음편 올라갑니다.