[박종진의 과학 이야기] 이중 슬릿 실험

박종진

어려운 말 같아 보이지만, 무엇을 두 곳의 좁은 틈 사이로 통과시켜서 결과가 어떻게 되는지 알아보려는 실험을 뜻한다. 하지만 이 간단한 실험 때문에 인류 역사에 이름이 남은 뉴턴은 체면을 구겼다.  
 
17세기가 될 때까지 우리는 물체를 떨어뜨리면 그 무게 때문에 당연히 땅으로 떨어진다고 생각했다. 공중에 들고 있던 사과를 놓으면 아래로 떨어지는 것은 너무 당연한 일이어서 누구도 왜 땅으로 떨어지는지 의심해 보지 않았다. 사과가 하늘 위로 솟구칠 것이라고는 그 누구도 생각할 수 없는 자연의 진리였다.  
 
그런데 인류 역사상 최초로 그런 현상에 의심을 품고 왜 그런지 궁금했던 사람이 있었다. 바로 아이작 뉴턴이다.  
 
뉴턴은 질량을 가진 물체는 서로 끌어당긴다는 만유인력의 법칙을 발견했다. 질량이 클수록, 그리고 두 물체 사이의 거리가 가까울수록 당기는 힘은 강하다고 했다. 뉴턴은 일약 세계적인 스타가 되었고 위대한 뉴턴의 말에 시비를 거는 것 자체가 과학자이기를 포기한 행위였다.
뉴턴은 빛에 관해서도 연구를 많이 했는데 그는 빛이 입자의 흐름이라고 생각했다. 대과학자 뉴턴이 빛은 입자라고 하면 그런가 보다 하고 따라야 하는데 토머스 영이라는 신출내기 과학자 한 사람이 빛은 파동이라고 토를 달았다.  

 
당시 상황으로 봐서는 당연히 과학계에서 퇴출당할 줄 알았는데 그의 이중 슬릿 실험으로 빛은 입자가 아니라 파동이라고 교과서를 다시 쓰게 될 판이었다.
 
만약 빛이 입자였다면 두 틈 사이를 지날 때, 그러니까 이중 슬릿을 통과하려면 두 슬릿 중 한 곳만을 통과해야 하는데 입자라고 굳게 믿었던 빛은 두 군데 틈을 동시에 지난 후 간섭 효과를 보였다. 간섭은 파동에서만 나타나는 특별한 현상이었기 때문에 아무리 뉴턴이 말씀하셨다고 해도 문제였다.  
 
그 후 더욱 정교한 실험을 통해 빛은 입자인 동시에 파동이라는 이중성이 밝혀졌다. 하지만 입자설과 파동설은 같이 공존할 수 없는 이론이기 때문에 당시 물리학계의 일대 사건이었다.  
 
이상한 것은 우리가 관찰하는 순간에 그 상태가 바뀐다는 것이다. 마치 피 관찰 물체가 외부에서 자신을 관찰하고 있다는 사실을 알아차리고 재빨리 상태를 바꾸는 것처럼 보인다. 이것이 양자역학의 세계다. 측정된 정보에 의해서 정확한 예측을 하던 고전물리학자들은 이런 신비스러운 현상을 이해하지 못했고 아예 받아드리려고 하지도 않았다.
 
하늘의 달은 우리가 쳐다보든 보지 않든 항상 떠 있는 천체다. 하지만 양자역학적 관점에서 보면 하늘의 달도 관찰자인 우리가 보는 순간 그 자리에 존재할 뿐 항상 있는 물체가 아니라는 것이다. 말도 안 되는 소리다. 오죽했으면 아인슈타인이, "그렇다면 우리가 관찰하기 전에는 하늘에 달이 없다는 말이냐?"고 역정을 냈다는 일화가 있다.  
 
결론적으로 말하면 양자역학의 근간인 불확정성의 원리에 의해서 이 세상 모든 것은 절대적이지 않고 확률로 존재하는 것이다. 아무런 연관이 없는 것 같은 토머스 영의 이중 슬릿 실험 때문에 빛의 이중성이 밝혀지고 결국, 양자역학이란 거대한 문이 열렸다. 빛은 입자의 성질도 갖지만 동시에 파동의 성질도 갖는데 이를 빛의 이중성이라고 한다.  
 
토머스 영의 간단한 이중 슬릿 실험으로 철통 같은 뉴턴의 벽을 넘어 양자역학이 시작되었고 오늘날에 이르렀다. (작가)  
 
 

박종진