2-2. 이중 슬릿 실험 — 세상에서 가장 아름다운 실험

물리학에서 가장 이상한 실험

지난 절에서 우리는 정말 놀라운 사실을 알게 되었어. 전자 — 우리가 "당연히 작은 공알갱이"라고 생각하던 — 가 사실은 파동이기도 하다는 것. 드브로이가 상상하고, 데이비슨과 거머가 실험으로 확인했지.

그런데 여기서 한 가지 질문이 생겨.

전자가 정말로 파동이라면, 파동이 하는 것 중 가장 기본적인 행동 — "간섭" — 도 할까?

간섭이 뭐냐고? 간단해. 연못에 돌멩이 두 개를 동시에 던져 봐. 두 곳에서 물결이 퍼져 나오다가 서로 만나지? 물결이 만나는 곳에서는 어떤 곳은 물결이 더 높아지고 (두 파동이 힘을 합쳐서), 어떤 곳은 물결이 사라져 (두 파동이 서로 상쇄해서). 이것이 간섭이야.

빛이 파동이라는 것은 바로 이 간섭 실험으로 증명되었어. 1801년, 영국의 토마스 영(Thomas Young)이 한 유명한 실험 — 이중 슬릿 실험 — 에서 말이야.

그런데 이 실험을 빛이 아니라 전자로 해보면? 결과가 어떻게 나올까?

이 질문의 답이 바로 물리학 역사상 가장 이상하고, 가장 아름다운 실험이야. 2002년에 《피직스 월드(Physics World)》라는 유명한 과학 잡지에서 물리학자들에게 물었어: "역사상 가장 아름다운 물리 실험은 무엇인가?" 1위를 차지한 것이 바로 전자를 이용한 이중 슬릿 실험이었어.

왜 "아름답다"고 했을까? 이 실험 하나가 양자역학의 핵심 미스터리 — 파동과 입자의 이중성, 관측의 효과, 확률의 세계 — 를 모두 한꺼번에 보여주기 때문이야.

자, 이 놀라운 실험을 처음부터 천천히 따라가 보자.