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| 이중슬릿 실험의 도식.[1] |
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| 입자(왼쪽)와 파동(오른쪽)에 따른 무늬의 차이. |
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1. 개요
이중슬릿 실험(Double-slit experiment)이란 두 개의 슬릿에서 나오는 결맞은 파동들이 스크린에 도달하는데 까지의 경로차로 인해 간섭을 일으키는 것을 관찰한 실험이다.이중슬릿 실험은 물질의 파동성과 입자성을 확인하는 실험으로 해석된다. 이는 파동이 고전적인지 양자역학적인지에 상관없이 공통적으로 적용된다. 어떤 물질이 두 개의 미세한 구멍(슬릿, slit)을 통과하는 것을 관찰하면 그 물질이 파동(wave)인지 입자(particle)인지에 따라서 다른 결과가 나온다.
파동은 회절(回折, diffraction)과 간섭(干涉, Interference)의 성질을 지니고 있기 때문에, 동시에 미세한 구멍을 빠져나오는 것이 가능하며 회절과 간섭이 작용하여 뒤쪽 스크린에 그 무늬가 나타난다.
반면 입자는 명확한 궤적을 가지므로 두 구멍 중 하나만을 통과한다. 하나의 궤적만을 가지므로 간섭을 겪지 않고 간섭 무늬를 만들지 않는다.
2. 역사
그 시작은 영국의 과학자 토머스 영(Thomas Young, 1773~1829)이 빛을 가지고 한 실험이었다. 17세기에 아이작 뉴턴은 빛이 입자임을 주장하였지만 영의 실험으로 빛이 파동성을 띈다는게 입증되었고 빛은 파동으로 인정되었다.영의 이중슬릿 실험에서 이중슬릿 사이의 간격이 [math(d)] 라면 원래 파동의 진행방향에 대해서 [math(\theta)]만큼 벗어난 방향으로 진행하는 두 파동의 경로차는 [math(d\sin\theta)]이다. 경로차가 [math(n\lambda)] 일때 보강간섭이 일어나므로
[math(\displaystyle n\lambda=d\sin\theta)]
에서 보강간섭이 일어난다. [math(\theta)]가 충분히 작은 경우라면 스크린까지의 길이가 [math(L)] 일때 [math(\sin\theta\approx y/L)] 이므로[math(\displaystyle y=n\frac{L\lambda}{d})]
를 만족하는 [math(y)]에서 보강간섭이 나타난다.이중슬릿에 의한 간섭무늬는 파동성을 입증하는 강력한 증거이다. 따라서 이 실험은 훗날 물질파를 검증하는 실험으로 활용되어 양자역학의 태동에 기여하였다. 1905년 아인슈타인이 광전효과를 자신이 제안한 광양자설을 통해 성공적으로 설명하여 빛이 파동성과 입자성을 동시에 가질 수 있다는걸 보였고, 이에 영감을 받은 루이 드 브로이는 파동이라 생각했던 빛이 입자성의 갖는다면 입자라 생각했던 물질도 파동의 성질을 가질 것이라는 물질파 이론을 제안하였다. 이는 양자역학의 기반이 된다.[2] 1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머가 전자총을 니켈 결정에 쏘는 실험[3]을 하여 전자의 물질파를 실험으로 확인하였다. 그 당시 전자는 입자성을 띄고있다고 여겨졌지만 니켈 원자의 결정 구조가 이중슬릿처럼 작용하여 간섭 무늬가 나타났고, 그 간섭무늬로 계산된 전자의 물질파 파장은 드 브로이의 물질파 이론의 예측과 잘 일치하였다.
루이 드 브로이의 물질파 이론에 의하면 모든 물질은 파동성을 가지며, 이는 거시적인 물체도 마찬가지이다. 하지만 이는 '이론상'의 이야기로 동시에 두 개의 구멍을 통과할 정도로 유의미한 파동성은 오직 미시세계에서만 가능한 이야기로 받아들여졌었으나, 현재는 분자 수준에서도 이중슬릿 실험에서 파동성이 확인되었다. 분자 단위의 파동성의 대표적인 예시로는 풀러렌이 있으며, 이외에도 2013년 810개의 원자(C284H190F320N4S12)로 이뤄진 분자 #, 2019년에는 15개 아미노산 구조(원자 276개)로 이루어진 박테리아 체내의 생체 분자 #까지 이중슬릿 실험을 통과한다는 것이 밝혀졌다.
[1]
'b'와 'c'의 두 개의 구멍을 이중 슬릿이라고 부른다.
[2]
다만 아인슈타인은 확률적 존재성에 극단적인 거부감을 보였으며 "신은 주사위를 던지지 않는다"라고 한 말이 유명하다. 후일
닐스 보어는 "신에게 이래라 저래라 하지 마시오"라며 받아쳤다.
[3]
그 유명한 데이비슨 거머(저머) 실험이다.