초기 관측에 따르면 빛은 파동-입자 이중성을 가지고 있지만, 단일 입자를 방출하는 것만으로도 마법처럼 스스로 이중 슬릿 간섭을 일으킬 수 있습니다. 즉, 하나의 빛 입자가 이상하게도 두 개의 슬릿을 동시에 통과하지만, 더 이상하게도 카메라로 실험을 녹화하면 이중 슬릿 간섭이 발생하지 않고 개별적으로 방출된 빛 입자는 매번 정렬된 슬릿을 정직하게 통과할 것입니다. 카메라 녹화가 없었다면 두 개의 슬릿을 동시에 통과했을 것입니다. 짜증나시나요? 그러자 교활한 인간들은 다른 해결책을 생각해 냈습니다. 먼저 카메라를 켜지 않고 빛 입자가 두 슬릿을 동시에 통과할 때까지 기다리는 것입니다. 그 시점에서 이중 슬릿 간섭이 형성된 다음 카메라를 켭니다. 이번에는 도망칠 수 없습니다. 이때 과학자들을 정말 두렵게 하는 일이 벌어집니다. 이미 발생했던 이중 슬릿 간섭이 갑자기 사라지고 빛 입자가 마술처럼 하나의 슬릿이 된 것입니다. 카메라가 엔딩을 기록하자마자 이미 일어난 일이 갑자기 다시 쓰여지는 반직관적인 일이 벌어진 것입니다. 이 순간 시공간의 질서가 깨지고 눈앞에서 방금 일어난 역사적 사건의 결과가 정말 용납할 수 없는 방식으로 관찰에 의해 변경된 것입니다.
20세기 초, 물리학계는 빛의 파동과 입자 이론에 대해 수 세기 동안 논쟁을 벌여왔습니다. 아인슈타인과 플랑크가 함께 빛의 양자 이론을 제시하면서 사람들은 빛이 파동과 입자의 이중적 성격을 동시에 가지고 있다는 것, 즉 파동의 형태로 전파되는 과정에서의 빛과 입자의 형태로 물질과 상호작용하는 과정에서의 빛이라는 사실을 깨닫기 시작했습니다. "파동-입자 이중성"으로 알려진 이 설명은 물리학에서 만장일치로 받아들여졌습니다.
과학자들은 나중에 영의 이중 슬릿 실험을 사용하여 점 광원 뒤에 두 개의 슬릿이 있는 종이를 놓았습니다. 이 때 점 광원의 빛은 슬릿을 통과하여 일련의 밝고 어두운 줄무늬가 되는데, 이것이 바로 빛의 양자 이론을 증명하는 간섭 프린지입니다.
빛에 파동-입자 이중성이 있다는 것을 증명한 과학자들은 전자에 대해서도 이중 슬릿 실험을 수행하여 전자와 같은 미립자도 파동-입자 이중성을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 기술이 발전함에 따라 과학자들은 이중 슬릿 간섭 실험을 위해 개별 전자를 발사하는 장비를 사용하기 시작했습니다. 이때 처음으로 이상한 일이 일어났습니다. 단일 전자 이중 슬릿 실험의 결과가 이전의 전자 이중 슬릿 간섭 실험의 결과와 정확히 동일하다는 것입니다.
이전에는 전자의 이중 슬릿 간섭이 밝고 어두운 프린지를 생성할 수 있고 단일 전자라도 간섭 프린지를 생성할 수 있었지만 이 장치는 분명히 하나의 전자만 방출했습니다. 누구를 간섭할 수 있을까요? 그 결과는 축구가 동시에 두 골을 넣는 것만큼이나 놀라운 결과입니다. 과학자들은 단일 전자 간섭 프린지의 비밀을 풀기 위해 더욱 놀랍고 끔찍한 '이중 슬릿 간섭 지연 실험'을 시도하기로 결심했습니다. 지연 실험의 핵심은 이중 슬릿을 통과한 후 전자의 모습을 기록하는 것입니다. 전자는 단 하나만 존재하기 때문에 슬릿을 통과할 때 직접 볼 수 있으므로 화면의 파동과 같은 간섭 프린지가 사라지고 입자와 같은 흔적으로 대체됩니다. 전자 흔적을 기록하는 기계의 전원을 끄자마자 밝고 어두운 줄무늬가 나타나고, 전원을 켜자마자 사라집니다.
그런 다음 한 과학자는 광자를 한꺼번에 흩뿌리지 않고 하나씩 방출하면 광자들이 더 이상 서로 상호작용하지 않아 그림 1의 간섭 패턴이 나타나지 않을 것이라는 생각이 떠올랐습니다. 그러나 실험은 그의 예상과 달리 한 번만 방출해도 마치 하나의 광자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과한 후 서로 간섭하는 것처럼 간섭 패턴이 나타났습니다.
카메라로 입자의 궤적을 보려고 하자 입자들은 누군가 자신을 지켜보고 있다는 것을 아는 듯 하나씩 똑똑해지는 듯 하더니 곧바로 행동을 멈추고 벽에 있던 간섭 줄무늬가 사라졌습니다. 메리는 조금 믿기지 않았습니다. 이건 말도 안 되는 거 아닙니까? 작은 입자 하나에 속았다고요. 그는 처음에는 믿지 않았지만 여러 번 확인한 끝에 마침내 굴복했습니다. 메리는 입자의 행동이 실제로 인간의 의식에 의해 결정된다는 소름 끼치는 새로운 발견을 학계에 공개했습니다.
이 실험은 빛이 파동-입자 이중성을 가지고 있음을 암시합니다. 관찰하지 않을 때는 간섭 프린지를 생성하는 파동입니다. 관찰하면 간섭 프린지가 없는 입자가 다시 파동이 됩니다! 빛의 특성은 관찰 여부에 따라 달라집니다! 마치 모든 광자가 의식이 있는 것처럼 이 실험은 이상합니다! 누군가가 연구하고 있다는 것을 알면 더 깊이 파고들 수 없습니다!
내 생각은 이렇다: 빛은 빠른 속도로 시공간을 이동할 수 있기 때문에 동시에 평행한 시공간에 존재할 수 있고, 동시에 두 개의 슬릿을 통해 간섭할 수 있다. 한 가지 이동 방법만 존재한다는 것이 관찰되면 나머지 평행 시공간은 사라집니다. 따라서 의식은 평행 시공간이 켜져 있는지 또는 꺼져 있는지를 결정할 수 있습니다. 비움은 곧 색이고 색은 곧 비움입니다! 예를 들어, 내가 지금 당장 일어나기로 결정하면 나머지 평행 시공간은 닫힙니다. 요약하자면, 빛의 간섭은 빛의 속도로 인해 모든 평행 공간을 볼 수 있고, 관찰하면 그 중 하나를 선택한다는 것입니다. 겸손한 의견, 비판을 환영합니다!
저는 기술이 최고의 생산력이라고 믿으며 현재 가장 핫한 기술을 추구하는 사람, @WhaleColour666입니다. 멋진 기술을 여러분과 함께 공유하고 분석하기 위해 최선을 다하겠습니다! 토론할 메시지를 남겨주세요.
우주가 완벽하지 않고 버그가 있다면 믿으시나요? 이중 슬릿 간섭 실험은 우주의 이 '구멍'을 단계적으로 발견한 것 같습니다.
이중 슬릿 간섭 실험이란 무엇인가요? 돌을 물에 떨어뜨리면 표면이 파문을 일으킵니다. 두 개의 돌을 동시에 떨어뜨리면 두 물결 사이에 교차 간섭 프린지가 생깁니다. 이것이 바로 파도가 서로 간섭할 수 있는 성질입니다.
이중 슬릿 간섭 실험에서는 두 개의 슬릿이 있는 불투명한 배플을 광원 앞에 배치하고 관찰 가능한 배경을 배플 뒤에 배치합니다. 광원을 켜면 배경에 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬가 나타나는데, 이것이 바로 이중 슬릿 간섭 실험입니다. 이 실험은 빛이 파동이라는 것을 증명합니다! 빛이 두 개의 슬릿을 통과하면서 포터 파동만 간섭을 받기 때문에 반대쪽 파동은 상쇄되고 반대쪽 파동은 강화되어 배경에 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬가 나타납니다. (일상 생활에서 사용하는 액티브 노이즈 캔슬링 헤드폰은 이 원리를 사용하여 반대 음파로 소음을 상쇄합니다.)
광원을 매우 작게 만들고 배경을 고감도, 고해상도 네거티브로 교체하여 실험을 업그레이드해 보겠습니다. 광원을 켜면 처음에는 무작위로 분포된 무수히 많은 점들이 보이다가 점점 더 많아져 결국에는 밝고 어두운 줄무늬를 형성합니다! 실험을 업그레이드한 결과, 빛은 입자이며 파동의 특성, 즉 빛의 파동-입자 이중성이 있다는 것이 증명되었습니다!
이중 슬릿 간섭 지연 실험이 오랫동안 유명해졌지만, 과학자들은 이 실험을 다시 업그레이드했습니다. 광원을 한 번에 하나의 전자로 바꿔보세요! 전자가 이 배플을 통과할 수 있는 유일한 방법은 두 개의 무작위 슬릿을 통과하는 것뿐입니다.
간섭을 받으려면 물체가 필요하다는 것을 알고 있습니다. 물체 없이 어떻게 간섭을 받을 수 있을까요? 그러나 이번에는 실험이 잘못되어 개별 전자가 두 개의 슬릿을 무작위로 통과했지만 결국 간섭 프린지를 형성하게 되었습니다.
이 결과는 과학계에 충격을 주었습니다! 왜 하나의 전자가 스스로 간섭할 수 있을까요? 그에게 또 다른 도플갱어가 있는 걸까요? 더 놀라운 것은 전자가 통과하는 간극을 관찰했을 때 간섭 프린지가 사라졌다는 점입니다. 관찰을 취소하자 간섭 프린지가 마술처럼 다시 나타났습니다! 마치 전자가 간극을 통과하는 경로(입자 신호) 또는 전자의 간섭 프린지(변동 신호)만을 보여줄 수 있는 한 쌍의 눈이 우리를 감시하고 있는 것처럼 말입니다!
이중 슬릿 간섭에 의한 선택적 양자 소거 지연이를 보면 위의 실험에 알 수 없는 구멍이 많이 있을 것이라고 생각할 수 있습니다. 전자를 관찰할 때 전자의 정상적인 움직임을 방해하여 전자의 특성에 변화를 일으켰지만, 이 요인을 확인할 방법이 없습니다. 다음으로 과학자들은 더 복잡하고 정교한 방법을 사용하여 이중 슬릿 실험을 수행했습니다. 광자를 한 쌍의 얽힌 광자 A와 B로 분리하고(거리에 상관없이 얽힌 광자는 서로 영향을 줄 수 있음), 이중 슬릿 간섭 실험을 하기 위해 B는 A보다 유도 스크린에서 멀리 떨어져 있기 때문에 A가 B보다 먼저 유도 스크린에 도착하게 됩니다. 실험 B에 카메라를 넣어 이중 슬릿을 통과하는 B의 경로를 관찰하면 실험 A의 간섭 영상은 사라지게 됩니다. 분명히 얽힌 두 광자는 서로 상호작용을 하고, B는 A를 얻을 수 없는 변동하는 성질을 가지고 있습니다. 다음으로 B가 기술적 수단으로 얻은 경로 정보를 지우면 간섭 프린지가 A와 B 모두에 나타납니다.... 여기에는 매우 이상한 두 가지 현상이 있습니다. 측정된 광자 경로 정보는 단지 "누출"일 뿐입니다. 그것을 확인할 수 있는 유능한 의식이 없고 간섭 프린지가 사라집니다! 이 경로 정보를 지우면 간섭 프린지가 다시 나타납니다!
더 기이한 것은 실험에서 B의 경로 정보를 설정하기 시작할 때 이미 A가 센서 화면에 도달하여 이미지를 형성하고 있다는 것입니다! B의 경로 정보가 지워지면 A의 센서 화면에 '캡처'된 이미지는 유령 같은 간섭 프린지로 변합니다!
이해할 수 없는 "우주 프로그램" 많은 사람들은 처음에 광자 경로를 관찰한다는 것은 인간의 의식이 실험에 관여한다는 것을 의미한다고 생각했습니다. 그러나 이전 실험에서 알 수 있듯이, 지연 선택 실험에서 측정된 경로 정보는 당신이 보든 보지 않든 우주의 프로그램에 의해 비밀로 결정되었습니다! 광자 변동 특성은 숨겨져 있습니다! 우리는 간섭 이미지를 얻지 못합니다. 이 유출된 비밀을 지우면 우주 프로그램은 즉시 광자 변동을 수정하고 간섭 이미지를 제공합니다. 뜻밖에도 우리 인간은 양자 얽힘을 사용하여 실험실에 구멍을 뚫어 이미지가 형성된 후 경로 정보를 얻을 수 있습니다. 그런 다음 유출할지 지울지 선택하면 우주의 프로그램은 여전히 원래의 지침을 따릅니다. 이미 형성된 이미지가 다시 변경되도록 하세요(한때 간섭하지 않던 광자가 이제는 간섭합니다. 이것은 우회로입니다)? 이것은 우리가 우주 프로그램에서 버그를 발견하고 현재의 결정으로 과거를 바꿨다는 것을 의미합니까! 아니면 다른 것일까요? 우리가 살고 있는 우주, 그 가장자리를 볼 수 없을 정도로 실재하는 이 세계는 정해진 '프로그램'인 걸까요? 아니면 완벽해 보이는 우주라는 세계는 실제로 결함이 있는 것일까요? 앞으로 인간이 이러한 허점을 이용한다면 미래에는 어떤 세상이 될까요?
많은 사람들이 이중 슬릿 간섭 실험에 대해 들으면 "신비한 일"이라고 생각하며 '양자역학'을 떠올립니다. 사실 양자역학은 우주의 기본 논리를 인간이 이해하여 문을 두드리는 것이고, 이중 슬릿 간섭 실험은 양자역학의 핵심을 구현한 것입니다. 이중 슬릿 간섭 실험이 얼마나 "이상한" 실험인지 말씀드리겠습니다. 우주의 핵심에 대해 무엇을 밝혀낼 수 있을까요?
슈뢰딩거의 고양이, 신의 주사위 굴리기, 평행 우주는 어디에서 왔을까요? 양자는 너무 추상적이기 때문에 우리는 양자 현상을 슈뢰딩거의 고양이로 옮긴 다음 이중 슬릿 간섭 실험으로 돌아가면 잘 이해됩니다. 이것은 슈뢰딩거의 양자역학에 대한 이해를 보여주는 좋은 예입니다.
다양한 저명 학자들이 의견을 제시했는데, 크게 세 가지 견해가 있습니다.
보어, 코펜하겐 학파: 양자 고양이입니다. 고양이가 상자 안에 있을 확률은 100% 살아있을 확률과 100% 죽었을 확률입니다. 두 상태가 동시에 중첩되어 존재합니다. 상자를 여는 순간 고양이의 생사가 드러나며, 생사의 결과는 무작위입니다.
아인슈타인과 슈뢰딩거: 고양이는 50%는 죽었고 50%는 살아 있습니다. 우리가 상자를 열기 전에는 고양이가 죽었거나 살아있다. 상자를 열면 유도된 결과가 아니라 결과를 보게 됩니다.
Einstein:보어, 당신이 상자를 열었을 때 신은 누군가 와서 결과를 볼 것이라는 것을 깨닫고 고양이가 살았는지 죽었는지 결정하기 위해 서둘러 고양이를 흔들었다는 말입니까?
보어: 신이 뭘 할 수 있겠어요!
휴 에버렛:조용, 조용, 난 아직 아무 말도 안 했어! 일단 보어의 중첩상태에 동의하지만, 100%+100%=200%는 상자를 열기 전과 후가 보존되어야 하므로 상자를 여는 순간 고양이가 죽었다면 살아있는 고양이는 다른 세계, 즉 평행우주에 존재해야 한다고 생각해요.
아인슈타인, 슈뢰딩거, 보어: 너희들은 너무 대단해서 너희들의 말이 틀렸다는 것을 증명할 방법을 모르겠다!
이야기가 우선입니다. 읽는 것은 중요하지 않습니다. 결과 우선:보어가 옳았어요! 평행 우주는 증명할 수 없지만 기껏해야 가설일 뿐입니다. 이 이야기에는 몇 가지 핵심 사항이 있습니다.
1. 고양이가 죽었거나 살아있다 - 중첩 상태
2. 상자를 여는 것은 관찰을 의미하며, 관찰은 중첩 상태를 무작위로 하나의 상태로 붕괴시킵니다. (갓 쉐이크!)
3. 개봉 전과 후의 처음 두 지점도 파동 입자 이중성을 암시합니다. (이에 대해서는 나중에 자세히 설명합니다)
빛이란 무엇인가요? --이중 슬릿 간섭의 '이상함' 다음으로 이중 슬릿 간섭에 대해 살펴봅니다. 빛이란 무엇인가라는 아무도 대답할 수 없었던 단순한 질문은 아이작 뉴턴으로부터 시작되었습니다.
그림: 뉴턴의 프리즘 실험
뉴턴은 동시대의 학생으로서 광학에 많은 공헌을 했습니다. 예를 들어, 그는 프리즘 실험을 통해 햇빛이 다양한 종류의 빛이 혼합되어 있다고 믿었습니다. 그는 빛은 반사되고 굴절될 수 있으며, 벽에 던진 탁구공이 튕겨 나가는 것처럼 궤적이 바뀔 수 있으므로 빛의 가장 작은 단위는 입자라고 믿었습니다.
19세기에 토마스 영은 뉴턴을 반박했습니다. 그는 한 가지 실험을 했는데, 뒤에 유도 스크린이 있는 두 개의 작은 슬릿을 통해 광선을 통과시키는 것이었습니다. 뉴턴에 따르면 이 실험의 결과는 다음과 같이 두 줄무늬가 나타나야 했는데, 실제로 다음과 같은 결과가 나타났습니다.
그래서 양 노인은 빛이 아래의 물결과 같다고 말했지만 실제로는 파도였습니다.
슬릿을 통과한 빛의 파동이 서로 간섭하여 물처럼 보이게 되어 간섭 프린지가 스크린에 표시된 것입니다.
이것은 이중 슬릿 간섭 실험이지만 이상하게도 양자역학적 이중 슬릿 간섭 실험입니다.
좋은 시절은 오래가지 않았습니다. 흑체 복사 실험의 도움으로 플랑크는 빛 에너지가 불연속적이라는 사실을 발견했고, 아인슈타인은 빛이 원자와 상호작용할 때 입자 형태로 에너지를 교환하는 광전 효과를 발견했습니다. 그래서 모두가 이중 슬릿 실험을 재검토하고 업그레이드했습니다.
빛은 입자 형태로 존재하므로 광자를 이중 슬릿을 통과시키면 어떤 일이 일어날까요? (실제 실험에서는 같은 이유로 전자를 사용했습니다).
두 개의 슬릿을 따라 빠르게 전자를 기관총처럼 쏘아대면 수많은 입자가 무작위로 디스플레이에 나타나지만 멀리서 보면 간섭 프린지를 형성하기도 합니다. 입자라면 왜 간섭을 일으킬까요?
어떤 사람들은 많은 전자가 모여 있기 때문에 마치 어린이 놀이터에 있는 바다 공처럼 간섭이 일어난다고 생각합니다. 뛰어들면 오션볼이 파도처럼 퍼지면서 입자인데도 간섭을 일으킨다는 것이죠. 하지만 정말 그게 전부일까요?
그림:결과
과학자들은 다시 '권총' 사격으로 바꾸어 실험을 진행했습니다. 한 전자가 강타당하고 전자가 유도 스크린에 도달한 다음 다른 총을 발사하여 두 전자가 서로의 움직임을 방해하지 못하도록 했습니다. 하지만 과학자들은 혼란스러워했습니다. 빠르게 타이핑하든 느리게 타이핑하든 결과는 같았기 때문입니다. 화면은 여전히 흔들렸고, 두 개의 전자가 아닌 새로운 간섭 프린지가 생겼습니다! 전자 하나가 간섭을 일으킨다는 뜻인데, 그렇다면 누구에게 간섭을 일으킬까요? 두 개의 슬릿 중 하나만 선택해서 통과할 수 있고, 다른 슬릿에서는 전자가 나오지 않습니다. 어디를 간섭할 수 있을까요?
문제를 해결하기 위해 거물들은 실험에 광 검출기를 설치하여 전자가 어떻게 간섭하는지 "보기" 위해 실험에 광 검출기를 설치했습니다! 전자가 유도 스크린에 정직하게 두 개의 줄무늬를 형성하는 것이 발견되었습니다. 사람들:맙소사, 무슨 일이 일어났는지 말해줘요!
정답은 위의 이야기에서 찾을 수 있습니다: 파동-입자 이중성은 먼저 불신받는 평행 우주 이론으로 설명됩니다: 우리가 보지 않을 때 전자는 슬릿 A를 통과한 다음 슬릿 B를 통과하고 간섭을 일으킵니다. 양자에는 도플갱어가 있다는 것을 이해할 수 있습니다. 그것을 보면 우주가 쪼개집니다. 전자가 슬롯 A를 통해 들어오면 평행 우주의 전자가 슬롯 B를 통해 들어옵니다. 두 우주의 전자가 서로 간섭하지 못하도록 우주가 쪼개지는 것은 바로 우리의 검출 때문입니다.
보어의 설명: 전반부는 평행우주와 동일하게 전자가 중첩 상태, 즉 파동 상태에 있다가 보면 무작위로 입자 상태로 붕괴됩니다.
아인슈타인: 설명할 수 없어요! 우리가 아직 알아내지 못한 뭔가가 있을 거야. 어쨌든 신은 배를 흔들지 않아요.
그림:우리는 원자의 전자가 이렇게 생겼음을 알고 있습니다.
그림:실제로는 이렇게 생겼기 때문에 확률과 변동이 있는 전자 구름이라고도 불립니다.
지금까지의 과학적 결과를 보면 보어는 옳았습니다. 양자는 양자역학의 핵심인 파동-입자 이중성을 가지고 있습니다. 전자는 파동과 입자의 성질을 모두 가지고 있습니다.
입자로 붕괴되지 않을 때는 하나의 입자로 방출되지만 파동의 성질도 작용합니다. 전자 하나를 방출하는 것은 물결을 방출하는 것과 유사합니다. 전자 빔을 방출하면 실제로는 간섭 결과에 따라 감지 화면에 표시되는 파동 빔을 방출하는 것입니다. 전자를 감지하면 전자는 단일 입자의 성질로 붕괴되므로 간섭 없이 전자 빔이 발사되어 두 개의 줄무늬만 나타납니다.
양자의 성질을 이해하지 못하면 간섭 프린지가 보이지 않는다고 생각할 수 있지만, 간섭은 일어나지 않습니다. 약간 "무서운" 것 같습니다. 양자역학은 인간이 우주를 발견한 가장 낮은 수준의 논리라는 것을 이해하는 것은 당연합니다. 그것은 우주의 구성에서 가장 작은 구조를 구성하는 입자의 형성에 이르기까지 우주의 기원을 설명합니다.