1. 개요
double-slit experiment이 문서에서는 양자역학의 이중슬릿 실험을 다룬다.
빛에 대한 이중슬릿 실험은 회절 문서를 참조할 것.
2. 상세
그림과 같이 전자총을 이용해서 이중슬릿에 전자를 투과시킨 후 스크린에 나타나는 무늬를 관찰한다.
이때, 전자 또한 빛과 비슷한 무늬를 만들어냄이 관측된다.
이 실험은 입자 또한 파동성을 가진다는 중요한 의의를 나타낸다. 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.[1] 1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머가 전자총을 니켈 결정에 쏘는 실험[2]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([math({\rm C}_{284} {\rm H}_{190} {\rm F}_{320} {\rm N}_{4} {\rm S}_{12})])로 이뤄진 분자#, 2019년에는 15개 아미노산 구조(원자 276개)로 이루어진 박테리아 체내의 생체 분자#까지 이중슬릿 실험을 통과한다는 것이 밝혀졌다.
2.1. 파동함수로 해석
슬릿의 구멍을 각각 [math(\rm A)], [math(\rm B)]라 하자. 이때, 슬릿 [math(i)]를 통과한 전자가 스크린 [math(x)]에서 관측될 파동함수는 [math(\psi_{i}(x))]이다.어떤 슬릿에 전자가 들어갔는지 확인하지 않았다면, 파동함수는 중첩된 상태로 존재해
[math(\Psi=\psi_{\rm A}+\psi_{\rm B})]
이다. 따라서 확률은
[math(|\Psi|^{2}=|\psi_{\rm A}|^{2}+|\psi_{\rm B}|^{2}+\psi_{\rm A}^{\ast}\psi_{\rm B}+\psi_{\rm B}^{\ast}\psi_{\rm A})]
으로 뒤의 간섭항이 생기는 사실을 알 수 있다. 이것이 간섭 무늬가 만들어지는 이유이다.
그러나 어떤 슬릿에 전자가 들어갔는지 "관측"한다면, 파동함수는 [math(\psi_{\rm A})] 또는 [math(\psi_{\rm B})]로 고정되고, 결국 확률은 두 독립 사건의 합
[math(|\Psi|^{2}=|\psi_{\rm A}|^{2}+|\psi_{\rm B}|^{2})]
로 주어지게 되어 무늬를 형성하지 않는다.
[1] 아인슈타인은 드브로이의 물질파 이론에 감명을 받고 공개적으로 이를 칭찬했다. 다만 보른이 물질파를 확률적으로 해석하자 아인슈타인은 확률적 존재성에 극단적인 거부감을 보였다. 아인슈타인의 발언 중 "신은 주사위를 던지지 않는다"라고 한 말이 유명하다. 후일 닐스 보어는 "신에게 이래라 저래라 하지 마시오"라며 받아쳤다.[2] 그 유명한 데이비슨-저머 실험이다.