이중 슬릿 실험의 정의와 방법

이중 슬릿 실험의 정의와 방법

이중 슬릿 실험의 정의

물리학에서 가장 유명한 실험 중 하나는 이중 슬릿 실험입니다. 이 이중 슬릿 실험(Double-slit experiment)은 실험 대상의 파동성과 입자성을 구분하는 양자역학 실험입니다. 이중 슬릿 실험 장치에 실험 대상을 통과시키고 여기서 파동 혹은 입자인지를 관찰할 수 있으며 이에 따라 결과 값이 달라집니다. 여기서 파동은 간섭, 회절의 성질을 가지고 있습니다. 그러므로 파동이 두 개의 슬릿을 빠져나오게 되면 회절과 간섭이 작용하고 뒤쪽 스크린에 간섭무늬가 나타나서 이를 확인할 수 있습니다. 반면 입자는 이러한 특성이 없으므로 간섭무늬가 표시되지 않습니다. 이런 입자와 파동 두 가지의 차이를 이용해 실험하는 물질이 입자인지 파동인지를 구분할 수 있습니다. 이 실험이 최초로 이루어진 것은 영국의 과학자인 토머스 영(Thomas Young, 1773~1829)이 19세기 초 빛을 대상으로 한 이중 슬릿 실험이었습니다. 17세기에 아이작 뉴턴이 빛이 입자임을 주장하였으며 이것이 오랫동안 정설로 여겨지고 있었으나, 이 토머스 영의 실험으로 인해 간섭이 확인되었으며 빛이 파동성을 띈다는 걸 알게 되어 빛은 파동으로 인정되었습니다. 이 실험 결과는 뉴턴 역학에 큰 영향을 주었으며 그와 함께 에테르 이론에 바탕을 둔 빛의 파동이론이 촉발하는 계기도 되었습니다. 그리고 이후 아인슈타인의 상대성이론이 발표되고, 1927년에 이루어진 이중 슬릿 실험에서 입자성과 파동성이 동시에 나타날 수 있다는 것 또한 증명되었습니다. 이 실험에서 나온 결과는 당시 입자와 파동을 서로 반대의 성질로 규정하며 양립할 수 없다고 여긴 물리학적 상식을 깨는 것이었으며, 과학자들이 이 결과를 설명할 수 있는 새로운 원리를 찾게 만들었습니다. 그리고 그 후 양자론이 등장하게 된 만큼 이중 슬릿 실험이 과학적으로 얼마나 중요한 부분인지 알 수 있습니다.

이중 슬릿 실험의 실험 방법

그렇다면 이 이중 슬릿 실험은 어떻게 이루어졌을까요? 이는 우선 구멍이 두 개 있는 벽을 상상하고 그 벽에 공을 던지는 것을 상상하면 됩니다. 아마도 일부는 벽에서 튀어나오고 일부는 구멍으로 들어갈 것입니다. 그리고 이 첫 번째 벽 뒤에 또 다른 벽이 있다면, 구멍으로 날아간 테니스공은 다시 두 번째 벽에 부딪히게 될 것입니다. 그 뒤에 두 번째 벽에 공이 맞은 곳을 모두 표시하면 구멍과 거의 같은 모양의 두 줄의 자국이 남을 것입니다. 위에서도 얘기했듯이 1801년, 토머스 영은 빛의 파장을 측정하기 위한 실험을 고안하고 실행했습니다. 그리고 패턴을 형성하는 두 가지 빛의 원천이 일관성이 있어야 한다는 것이 이 실험에서는 중요했습니다. 토머스 영이 직면한 어려움은 그날의 일반적인 광원, 즉 촛불이나 등불 등이 일관성 있는 광원으로 작용할 수 없다는 것이었습니다. 그래서 토머스 영은 창문 셔터의 핀홀을 통해 방으로 들어오는 햇빛을 이용하였습니다. 거울은 핀홀 빔을 방의 가로로 향하게 하기 위해 사용되었습니다. 두 광원을 얻기 위해 토머스 영은 작은 종이 카드를 사용하여 단일 핀홀 빔을 두 빔으로 쪼갰는데 빔의 일부는 카드의 왼쪽을 통과하고 빔의 일부는 카드의 오른쪽을 통과했습니다. 이 두 개의 빔이 동일한 원천인 태양에서 나왔기 때문에, 그것들은 두 개의 일관된 원천에서 나온 것으로 간주될 수 있습니다. 그리고 이 두 곳에서 발생하는 광파가 간섭을 일으킬 수 있었으며 간섭 패턴은 빛의 파장을 결정하기 위해 측정이 가능한 화면에 투영되었습니다. 오늘날 이 이중 슬릿 실험을 하고 싶다면 일반적으로 태양이 아닌 레이저 빔을 이용하여 진행하면 됩니다. 노트 카드를 사용하여 단일 빔을 두 개의 일관된 빔으로 분할하는 대신, 두 개의 촘촘한 간격으로 식각 된 구멍이 있는 탄소 코팅 유리 슬라이드를 사용하고는 합니다. 레이저 빔의 빛은 구멍을 통해 회절 되어 두 개의 분리된 일관된 파장으로 나타납니다. 여기서 확인되는 값을 알면 광원의 파장 값을 계산하는 것이 가능합니다.