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불기 2543년 9월 1일 236호 |
 주관과 객관 서로 연결 빛 비추면 전자입자 파동으로 바뀌듯 실험 관찰자가 관찰대상에 영향 미쳐 지난 시간에 이어 전자를 이용하여 이중 구멍 실험을 계속해보자. 이제 전자총을 조정하여 전자가 연속하여 무더기로 나오는 것이 아니라 일정한 간격을 두고 한 개씩 나오도록 한다. 그래서 전자와 전자 사이의 간섭이 일어나지 않도록 한다. 간섭이 없도록 했기 때문에 실험 결과는 총알의 경우와 비슷해야만 한다. 그러나 실험결과는 그와 반대로 전자가 두 개의 구멍을 모두 통과한 듯 나타난다. 우리가 알고 있는 상식으로는 전자는 입자이며 입자는 파동과는 달리 두 장소를 동시에 통과할 수 없다. 실제로 전자가 두 구멍을 동시에 통과했는지를 알아보도록 하자. 벽 뒤에 불빛을 비추어 전자가 어떤 구멍을 통과하는지를 볼 수 있도록 만든 다음 실험을 다시 해본다. 그러면 두 개의 구멍 중 단지 한 개의 구멍에서만 전자가 지나가는 것이 보인다. 그러므로 전자는 한 개의 구멍만을 통과한다고 결론짓는 것이 자연스럽다. 그러나 또 이상한 일이 벌어진다. 결과는 바로 전의 실험 결과와는 달리 물결 모양이 아니라 총알 실험의 것과 같다. 분명히 빛이 문제인 것 같다. 아마도 우리가 조명의 강도를 줄여 조명으로 사용하는 빛의 에너지를 줄이면 구멍을 통과하는 전자를 크게 건드리지 않으면서도 이들을 볼 수 있게 될 것이다. 즉, 빛의 주파수를 줄여 빛 에너지를 줄이면 전자에 쏘여지는 빛 에너지가 작아져 전자가 빛에 의한 영향을 덜 받게 된다. 주파수를 낮추고 실험을 다시 해보자. 우리는 총알을 사용한 실험의 결과를 얻는다. 더 낮추면 파동과 같은 모양의 결과를 얻기 시작한다. 그러나 문제가 있다. 빛의 주파수를 낮추는 것은 빛의 파장을 증가시킨다. 빛의 주파수가 충분히 낮아 빛의 파동 모양이 나타나게 될 때면 빛의 파장이 두 구멍사이의 간격 보다 더 길어진다. 그러면 우리는 더 이상 어떤 구멍으로 전자가 지나갔는지를 알 수 없게 된다. 이는 어떤 물체를 보기 위해서는 그 물체보다 작은 크기의 빛을 쪼여야 한다는 원리(해상도)를 생각하면 이해가 쉽다. 이 일련의 실험은 양자역학에서 가장 근본적인 교훈을 제공한다. 즉, 관찰은 관찰이 행해지는 실험의 맥락에서만 유효하다는 것이다. 우리는 간단히 전자가 입자라고 말할 수는 없다. 왜냐면 이미 그렇지는 않다는 증거를 보았기 때문이다. 단지 우리는 우리가 어떤 조건에서 두 구멍 실험을 통해 전자를 관찰하면 입자처럼 행동한다라고 말할 수 있을 뿐이다. 다른 조건에서 어떻게 행동하는지를 보려면 우리는 다른 실험을 해야만 한다. 또한 우리가 어떤 실험을 계획할 때에는 필연적으로 관찰하고자 하는 현상의 성질을 가정한다. 그리고 그 가정하에서 그 특성을 확인하기 위한 실험을 계획한다. 그리고 그 과정 속에서 우리는 필연적으로 관찰 대상에 영향을 주게 된다. 대표적인 관찰 방법은 눈으로 보는 것이다. 눈으로 보기 위해서는 그 관찰 대상에 부딪쳐 반사되는 빛이 필요하다. 결국 우리가 눈으로 관찰하려는 의도는 이미 빛을 그 관찰 대상에 쪼이게 하고 그 빛의 쪼임은 관찰 대상에 영향을 주게 된다. 우리가 일상적으로 접하는 세계에서는 빛의 쪼임으로 인한 영향이 적기 때문에 중요하게 생각되지 않는다. 그러나 원자의 세계처럼 작은 입자의 세계에서는 빛의 영향이 상당히 크게 나타나기 때문에 관찰하려는 대상에 영향을 주지 않고는 대상을 관찰할 수 없다. 이는 빛뿐만 아니라 관찰을 위해 동원되는 모든 방법들이 관찰대상에 영향을 필연적으로 미치게 된다. 그래서 관찰대상에 전혀 영향을 미치지 않는 관찰자란 적어도 양자의 세계에서는 존재하지 않는다. 이로써 물리학에서는 양자역학의 출현으로 객관(관찰대상)과 주관(관찰자)이 상호 연관되어 있다는 것을 받아들여야만 하게 된 것이다. <조원희 본사전략정보실장> |
Revised : Sep. 1999, URL: http://www.buddhapia.co.kr