이전 포스팅에서 빛은 이중 슬릿 실험(double-slit experiment)을 통해 파동성을 확인하였고, 광전효과(photoelectric effect)를 통해 입자성을 확인하였습니다. 이처럼 빛은 상황에 따라 파동처럼, 또 입자처럼 행동하는 '파동-입자 이중성'을 지니고 있음을 알 수 있습니다.
빛의 파동성과 입자성
- 파동성 : 고전 전자기학으로 설명 가능하다. 빛은 전자기파로서 간섭, 회절, 굴절 같은 현상을 보여줍니다.
- 입자성 : 광전효과를 통해, 빛이 에너지의 양자(Photon) 형태로 물질과 상호작용한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 에너지 E가 진동수 ν와 비례(E = hν)함을 보여줍니다.
드브로이 물질파 (De Broglie Matter Wave)
드브로이(De Broglie)는 '모든 운동하는 물체는 파동성을 가진다'는 대담한 가설을 제시하였습니다. 즉, 입자만 존재하는 것이 아니라, 모든 입자에는 대응하는 파동이 있다는 것입니다.
입자와 파동의 연결
| 입자 | 파동 |
| 질량(m), 운동량(p = mv) | 파장 λ = h/p = h/(mv) |
- h는 플랑크 상수(6.626 × 10⁻³⁴ Js)이다.
- λ는 입자에 대응하는 파장이다.
- 입자의 운동량이 작을수록 파장은 커지고, 파동성은 뚜렷해진다.
→ 따라서, 입자성과 파동성이 함께 존재한다는 이중성(Duality)이 나타납니다.
현대 실험에서는 전자나 중성자 같이 질량이 있는 입자들 또한 이중 슬릿 실험을 통해 간섭 패턴을 만들어내는 것을 확인할 수 있었습니다.
즉, 고전적으로는 생각할 수 없는 "입자의 파동성"이 실제로 관측 가능한 현상이라는 것입니다.
이러한 물질파 개념을 바탕으로, 전자의 파동적 성질을 설명하는 것이 바로 슈뢰딩거의 파동방정식(Schrödinger's Wave Equation)입니다.
양자역학적 해석과 관찰자 효과
입자의 이중성은 고전적 사고방식으로는 이해할 수 없습니다.
특히, 전자와 같은 입자는 동시에 여러 경로를 '중첩(superposition)'된 상태로 지나갑니다.
이 상태는 관측(Observation)이 이루어지는 순간 붕괴하여, 특정한 하나의 결과로 확정된다. 즉, 입자성과 파동성을 동시에 관찰 할 수 없습니다.
이를 관찰자 효과(Observer Effect)라고 부릅니다.
즉, 측정이 이루어지기 전까지 입자의 파동성과 입자성은 '잠재'된 상태로 존재합니다.
