◇ 이해할 수 없는 전자의 움직임, 이중 슬릿 실험

야구공을 떠올려보자. 두 개의 구멍이 뚫린 벽이 있다. 구멍 너머에는 스크린이 설치돼있다. 야구공을 벽을 향해 던지면 일부는 벽에 맞아 튕겨나오고, 나머지는 구멍을 통과해 스크린에 도달해 있을 것이다. 이때, 구멍 뒤로 이동해 스크린을 살펴보면 야구공을 맞은 부분에는 두 개의 줄무늬가 생겨 있는 것을 확인할 수 있다.


이번에는 물을 떠올려보자. 실험장치에 물을 채운 뒤 표면에 파동을 일으켜보면 물결파가 구멍을 중심으로 동그란 원을 그리며 퍼져나가는 것을 관측할 수 있다. 이때 스크린에 만들어진 여러 개의 줄무늬를 간섭무늬라고 부른다.

더 작은 물체를 던져보면 어떨까?

1927년, 미국 벨 연구소의 클린턴 데이비슨과 레스터 저머는 전자를 이용해 동일한 실험을 진행했다. 이것이 바로 물리학 역사상 가장 아름다운 실험으로 꼽히는 '이중 슬릿 실험'이다.

실험 결과는 놀라웠다. 전자는 입자임에도 파동으로 실험했을 때와 동일한 간섭 무늬를 만들었다. 무언가 이상함을 느낀 두 연구자는 한쪽 슬릿을 막고 전자를 쏴봤다. 이 경우 무늬가 한 줄만 생겼다. 반대쪽을 막고 진행했을 때에도 한 줄의 줄무늬만 생겼다. 그런데 왜 두 슬릿을 열어놓고 전자를 쏘면 두 개의 줄무늬가 아닌 간섭무늬가 생기는 것일까?

이론 물리학자인 리처드 파인만은 전자의 이해할 수 없는 운동에 대해 "각각의 전자가 두 개의 슬릿을 모두 통과한다"고 설명했다. "총에서 발사된 전자는 스크린에 도달할 때까지 가능한 모든 경로를 동시에 지나간다"는 것이다.

◇ 관측하면 움직임이 바뀐다?


과학자들은 슬릿 사이에 관측 장치를 설치해 전자가 어느쪽을 통과하는지 확인해봤다. 관측 결과, 파인만의 설명과는 달리 전자는 하나의 슬릿만 통과했다. 더 이상한 점은 지금부터다. 관측자가 전자가 어느쪽 슬릿을 통과하는지 살펴보기 위해 관측 장치를 켜자 간섭 무늬가 아닌 두 개의 줄무늬만 나타났다. 관측 장치를 끄니 다시 간섭무늬가 나타났다.

이를 이해하기 위해서는 다시 '관측'이라는 개념에 대해 알아봐야 한다.

물체를 본다는 것은 물체에 반사된 빛, 즉 빛을 이루고 있는 광자가 우리 눈으로 들어오는 것을 의미한다. 우리가 눈으로 관측할 수 있는 대부분의 물체는 빛과 부딪혀도 움직임에 영향을 받지 않는다. 문제는 전자가 너무 작다는 데서 시작된다. 야구장을 원자라고 한다면 전자는 마운드에서 멀리 떨어져 부유하고 있는 먼지와 같다. 전자는 눈으로 볼 수 없을 만큼 입자가 작아 광자에 부딪히면 운동에 큰 영향을 받는다. 전자의 위치를 확인하기 위해서는 빛이 반드시 필요한데, 관측을 위해 쏜 빛이 전자의 움직임에 변화를 가져오는 것이다.

즉, 전자는 관측되기 전에는 두 가지의 상태가 중첩돼 있다가 관측되는 그 순간 하나의 상태로 정해지는 것이다.

차진희 기자 postmoneynews@gmail.com