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불기 2543년 8월 25일 235호 |
 전체를 봐야 사물 바로본다 음파·전자발사 실험 통해 상호간섭 현상 알아내 양자역학은 우리가 보는 세상과 전혀 다른 세상을 설명한다. 양자역학의 창시자인 보어는 “양자역학에 의해 충격을 받지 않는 사람은 이를 제대로 이해하지 못한 사람이다” 라고 말했다. 양자역학에 대해서 많이 들어보기는 했지만 왠지 전문가들만 이야기할 수 있는 어려운 주제라고 느낀 독자들이 많을 것이다. 양자역학의 매력은 양자역학이 체계화되면서 관찰자와 관찰대상과의 연관성과 같은 인식론, 경험론, 존재론 등의 철학적 문제가 과학적 사고에 깊숙이 도입된 것이다. 또한 양자역학은 데카르트와 뉴톤의 이원론, 기계론보다는 종교의 신비적 경험에서 보이는 것과 비슷한 전체성을 강조하는 사고를 강요한다. 양자역학이 기술하는 원자의 세계가 우리들의 세계와 다르다는 것을 가장 쉽게 이해할 수 있는 예는 ‘파동과 입자의 이중성’ 실험이다. 이중 구멍(slit) 실험이라고 불리는데 장치의 중앙에 벽이 하나 있고 이 벽에는 중앙에서 약간씩의 거리를 두고 가느다란 두 개의 구멍이 뚫려 있다. 그리고 이 벽 너머에는 검출기가 설치되어 있다. 이 검출기는 실험에 따라 다양한 기계가 쓰인다. 벽 앞면에는 발생장치가 설치된다. 간략히 말하면 무언가를 두 개의 구멍이 뚫린 벽에 쏘아보내고 벽 뒷면에서 검출기를 이용해 어떤 현상이 나타나는지를 살펴보는 것이다. 처음에는 총알을 쏘아본다. 두 개의 구멍 중 하나를 막고 실험을 해본다. 뚫린 구멍의 중앙 뒤면에 총알이 집중적으로 분포하고 중앙에서 멀어질수록 수가 적어진다. 다른 구멍에 같은 실험을 되풀이하면 역시 같은 결과를 얻는다. 자 이제 양쪽 구멍 모두를 열고 실험을 한다. 결과는 각 구멍을 열고 실험한 결과의 합으로 나타난다. 즉, 검출기가 설치된 벽면 중앙에 가장 많은 총알이 발견되고 중앙에서 멀어질수록 총알이 적게 발견된다. 이제는 총알대신 음파를 쏘아보자. 위에서와 같이 한쪽 구멍을 막고 실험을 한다. 한쪽 구멍을 막고 실험을 하면 총알의 경우에서와 마찬가지로 열린 구멍의 중앙에서 가장 많은 음파가 검출되고 중앙에서 멀어질수록 음파가 적게 검출된다. 양쪽 구멍을 모두 열고 실험을 하게 되면 총알의 경우와는 다른 결과를 얻게 된다. 즉, 간섭효과에 의해 벽면 중앙에서 가장 큰 값을 가지고 중앙에서 멀어지면서 작은 값을 갖다가 다시 값이 증가하여 중앙보다는 작지만 그 부근에서는 최고치를 갖는다. 이런 경향이 검출 벽면의 중앙에서 멀어지면서 반복된다. 이는 양쪽 구멍을 통과한 각각의 음파가 최대치에서 합해지면 큰 값을 갖게 되고 최대값과 최소값이 합해지면 적은 값을 갖게 되는 것이고 이러한 크고 작은 값의 변화는 수학적으로 계산 가능하다. 이는 초급 물리 시간에도 배운 내용으로서 음파와 같은 파는 양쪽 구멍 모두를 통과하여 서로 간섭하기 때문이다. 총알의 경우는 음파의 경우와는 달리 한쪽 구멍만을 통과한다. 자, 이제 전자를 가지고 실험해 보자. 전자는 원자를 구성하고 있는 아주 작은 입자라고 여겨지고 있다. 아직까지 전자가 더 작은 입자로 구성되었다는 증거가 없기 때문에 전자는 기본입자로 여겨지고 있다. 전자는 총알과 같이 공간상의 어디에 있는지를 정확하게 말할 수 있으므로 위의 총알 실험과 같은 결과를 얻을 것으로 기대되지만 실제로는 그렇지 않다. 전자총을 이용하여 전자를 발생시켜 벽면에 쏜다. 한쪽 구멍만 열고 실험을 한 뒤 이 구멍을 닫고 다른 한쪽을 열고 실험을 반복한다. 한쪽 구멍만을 열고 하는 실험은 총알이나 음파가 같은 결과는 내는데 전자의 경우도 마찬가지다. 그런데 양쪽 구멍을 모두 열면 결과는 음파의 경우와 같다. 전자는 입자이기 때문에 양쪽 구멍을 모두 통과할 수는 없다. 그런데 음파의 경우와 같은 결과는 내다니! 조원희<본사 전략정보실장> |
Revised : Aug. 1999, URL: http://www.buddhapia.co.kr