역사지평 보충 5 (드브로이의 물질파)
작성자
자연사랑
작성일
2020-03-11 15:18
조회
4119
슈뢰딩거 방정식에 등장하는 파동함수는 정말 파동을 말해 주는 걸까요? 도대체 그 정체는 무엇일까요?
루이 드브로이는 1924년(학위논문) 또는 1925년(Annals des Physique에 게재된 논문)에서 결정적으로 중요한 개념과 주장을 펼칩니다. 그것은 바로 '물질파'입니다.
드브로이는 정말 말 그대로 물질이 파동임을 강하게 믿었습니다. 하지만 그것은 믿음일 뿐이었고, 물리학이라는 자연철학은 믿음들을 그냥 모아 놓은 것이라기보다는 실험으로 확인된 믿음을 모아놓은 것이니, 반드시 실험이 필요했습니다.
(장 페렝 1926년)
박사학위 심사과정에서 심사위원장이었던 장 페렝이 드브로이에게 물질이 파동이라는 주장을 실험으로 확인할 수 있느냐고 질문했는데, 드브로이가 아주 작은 틈새로 전자를 입사시키는 실험에서 회절 효과를 볼 수 있다면 전자의 파동적 성질을 확인할 수 있다고 대답했다고 합니다.
그 논문심사 발표장에 참석했던 장 페렝의 아들 프란시스 페렝의 회고입니다.
Interview with Francis Perrin (AHQP)
회절(diffraction)이란 말이 벌써 조금 어려워지는 느낌이 없지 않습니다. 소리는 음파, 즉 파동이기 때문에 퍼져나갈 때 모퉁이를 돌아나가는 성질을 지니고 있습니다. 에돌이라고도 합니다. 그래서 모습이 보이지 않더라도 담벼락 뒤에서 다른 사람의 목소리를 들을 수 있는 것이기도 합니다. 전자가 물질파로서 파동이라면, 이와 비슷하게 좁은 틈새를 빠져나가서 모퉁이를 돌아나가는 효과를 확인할 수 있을 거라고 드브로이는 대답한 것입니다.
당시 괴팅겐 대학에 있던 발터 엘자서(Walter M. Elsasser 1906-1991)가 미국 웨스턴 일렉트릭(벨 연구소)의 클린턴 데이비슨과 쿤스만이 1923년에 발표한 논문과 드브로이의 논문을 함께 놓고, 전자를 결정체에 입사하는 실험으로 드브로이의 주장을 확인해 볼 수 있을 거라는 아이디어를 얻습니다.
(발터 엘자서. 사진출처: Physics Today)
동료 제임스 프랑크와 이야기를 나누다가 이 내용을 좀 가벼운 성격의 학술지 '나투어비셴샤프텐 Naturwissenschaften'에 짧게 정리해서 투고한 것이 1925년 7월 15일이었습니다.
Bemerkungen zur Quantenmechanik frier Elektronen.
Naturwissenschaften 13:711.
위키피디어에는 당시 괴팅겐 대학에서 엘라서의 상사였던 막스 보른이 이 아이디어를 영국에 갔을 때 사람들에게 말하면서 영어권에서도 이 문제에 관심을 갖는 사람이 생겼다는 식으로 말하고 있습니다.
그런데 조금 더 찾아보니까, 1925년 무렵에 괴팅겐 대학 물리학연구소(Zweites Physikalisches Institut der Universität, Göttingen)에 있던 E.G. Dymond가 미국으로 되돌아간 뒤 이듬해 1926년 6월 18일에 <네이처>에 투고한 논문이 결정적이었던 것으로 보입니다.
Dymond, E.G. (1925). Double Impacts by Electrons in Helium. Nature 115, 910. https://doi.org/10.1038/115910a0
(1926년 9월 4일 발간)
이 논문에서 다이먼드는 데이비슨-쿤스만의 논문과 엘자서의 논문을 인용하면서, 전자를 결정에 입사하는 실험을 통해 드브로이의 물질파 가설을 확인해 볼 수 있음을 명확하게 말하고 있습니다. 그러나 그의 실험결과는 그다지 좋지 않았습니다.
이후 데이비슨과 저머가 정교한 실험에 성공했고, 거의 같은 시기에 영국의 조지 톰슨(George Paget Thomson)도 같은 실험을 해 냅니다. 톰슨은 다이먼드를 직접 인용하고 있습니다.
Davisson, C.; Germer, L. H. (1927). "The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel". Nature. 119 (2998): 558. doi:10.1038/119558a0
(1927년 3월 3일 투고. 4월 16일 발간)
Davisson, C. J.; Germer, L. H. (1928). "Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 14 (4): 317–322. doi:10.1073/pnas.14.4.317
Thomson, G. P.; Raid, A. (1927). "Diffraction of Cathode Rays by a Thin Film". Nature. 119 (3007): 890. doi:10.1038/119890a0
(1927년 5월 24일 투고. 6월 18일 발간)
(클린턴 데이비슨과 레스터 저머. 사진출처: 미국물리학회 (APS))
1926년에 막스 보른이 소위 '파동함수'를 확률로 해석해야 한다는 제안을 하고, 이것이 점점 더 양자역학에 대한 올바른 흠정 해석으로 자리를 잡아가는 동안에도 드브로이는 물질파에 대한 믿음을 버리지 않았습니다.
1927년에 데이비슨-저머의 실험과 톰슨의 실험이 발표되자, 사람들은 물질파가 실험으로 입증되었다고 말하기 시작했습니다. 아마 그 분위기 속에서 1929년 루이 드브로이의 노벨물리학상이 결정되었던 모양입니다.
그러나 하이젠베르크와 보른을 중심으로 물질파에 대한 의심이 더 커져갔습니다. 이것을 곧이곧대로 물리적 파동이라고 생각하면 납득할 수 없는 일이 한두 가지가 아니었기 때문입니다.
여하간 이 당시의 대단히 난해하고 복잡한 논쟁에서 '파동-입자 이중성'이란 아이디어가 자리를 잡았습니다. 전자나 빛(복사)은 어떤 측면에서는 파동처럼 행동하고 어떤 경우에는 입자처럼 행동한다는 어정쩡하고 다소 신비주의적인 이야기가 널리 퍼져나가기 시작했습니다.
슬라이드셰어에 있는 아래 슬라이드는 '표준적인' 물질파 이야기를 잘 보여줍니다.
PM [D01] Matter Waves
PM [D02] de Broglie deriving the Equation
PM [D03] What is there waving?
예를 들어 TED-Ed의 아래 애니메이션은 양자역학에서 이상하게 여겨지는 일이 모두 입자-파동 이중성에서 비롯된 것이라고 말하고 있습니다.
Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel
이 동영상 강의에는 한글자막도 있으니 참고하시기 바랍니다.
이 대목에서 바로 "자연철학적 접근"과 "물리학의 접근"의 차이가 두드러집니다.
TED-Ed의 그 동영상 강의를 하는 사람은 Chad Orzel이고 그의 역할은 Educator입니다. 이미 전문가인 물리학자들이 오랜 시간에 걸쳐 밝혀내고 찾아낸 그 자연의 진리를 더 알기 쉽게 다듬고 해설하는 역할이라는 뜻입니다. 따라서 이 이야기는 이미 종결된 것이고 이제는 그 완성된 이론을 더 알기 쉽게 포장하고 애니메이션이나 기타의 방법을 동원하여 잘 교육하는 것이 중요하다고 봅니다. 주류의 관점이라 할 수 있겠습니다.
자연철학적 접근은 바로 이 곳에서 의문을 품습니다.
- 드브로이가 이론적으로 제안하고 데이비슨-저머-톰슨이 실험으로 입증했다는 그 '물질파'는 정말로 세상에 존재하는 것일까?
- 정말 전자는 일종의 파동일까?
- 전자를 입자처럼 보아야 한다는 말이나 전자가 파동처럼 행동한다고 말할 때 "~처럼"이란 말의 정확한 의미가 무엇일까? 우리가 세상에 대해 무엇을 제대로 알 수 있을까?
- 뉴턴 역학이든, 상대성이론이든, 양자이론이든, 통계역학이든, 우주론이든, 생명론이든 자연과학이 "밝혀낸" 것이 정말 "밝혀낸" 것일까, 아니면 세상을 바라보는 하나의 관점인 것일까?
- 우리는 세상을 얼마나 알 수 있을까?
- 안다는 것은 또 무엇일까?
이런 질문들에 우리는 어떤 답을 가질 수 있을까요? <장회익의 자연철학 강의>가 점점 더 흥미진진해지는 까닭이 여기에 있습니다.
루이 드브로이는 1924년(학위논문) 또는 1925년(Annals des Physique에 게재된 논문)에서 결정적으로 중요한 개념과 주장을 펼칩니다. 그것은 바로 '물질파'입니다.
드브로이는 정말 말 그대로 물질이 파동임을 강하게 믿었습니다. 하지만 그것은 믿음일 뿐이었고, 물리학이라는 자연철학은 믿음들을 그냥 모아 놓은 것이라기보다는 실험으로 확인된 믿음을 모아놓은 것이니, 반드시 실험이 필요했습니다.
(장 페렝 1926년)
박사학위 심사과정에서 심사위원장이었던 장 페렝이 드브로이에게 물질이 파동이라는 주장을 실험으로 확인할 수 있느냐고 질문했는데, 드브로이가 아주 작은 틈새로 전자를 입사시키는 실험에서 회절 효과를 볼 수 있다면 전자의 파동적 성질을 확인할 수 있다고 대답했다고 합니다.
그 논문심사 발표장에 참석했던 장 페렝의 아들 프란시스 페렝의 회고입니다.
Interview with Francis Perrin (AHQP)
회절(diffraction)이란 말이 벌써 조금 어려워지는 느낌이 없지 않습니다. 소리는 음파, 즉 파동이기 때문에 퍼져나갈 때 모퉁이를 돌아나가는 성질을 지니고 있습니다. 에돌이라고도 합니다. 그래서 모습이 보이지 않더라도 담벼락 뒤에서 다른 사람의 목소리를 들을 수 있는 것이기도 합니다. 전자가 물질파로서 파동이라면, 이와 비슷하게 좁은 틈새를 빠져나가서 모퉁이를 돌아나가는 효과를 확인할 수 있을 거라고 드브로이는 대답한 것입니다.
당시 괴팅겐 대학에 있던 발터 엘자서(Walter M. Elsasser 1906-1991)가 미국 웨스턴 일렉트릭(벨 연구소)의 클린턴 데이비슨과 쿤스만이 1923년에 발표한 논문과 드브로이의 논문을 함께 놓고, 전자를 결정체에 입사하는 실험으로 드브로이의 주장을 확인해 볼 수 있을 거라는 아이디어를 얻습니다.
(발터 엘자서. 사진출처: Physics Today)
동료 제임스 프랑크와 이야기를 나누다가 이 내용을 좀 가벼운 성격의 학술지 '나투어비셴샤프텐 Naturwissenschaften'에 짧게 정리해서 투고한 것이 1925년 7월 15일이었습니다.
Bemerkungen zur Quantenmechanik frier Elektronen.
Naturwissenschaften 13:711.
위키피디어에는 당시 괴팅겐 대학에서 엘라서의 상사였던 막스 보른이 이 아이디어를 영국에 갔을 때 사람들에게 말하면서 영어권에서도 이 문제에 관심을 갖는 사람이 생겼다는 식으로 말하고 있습니다.
그런데 조금 더 찾아보니까, 1925년 무렵에 괴팅겐 대학 물리학연구소(Zweites Physikalisches Institut der Universität, Göttingen)에 있던 E.G. Dymond가 미국으로 되돌아간 뒤 이듬해 1926년 6월 18일에 <네이처>에 투고한 논문이 결정적이었던 것으로 보입니다.
Dymond, E.G. (1925). Double Impacts by Electrons in Helium. Nature 115, 910. https://doi.org/10.1038/115910a0
(1926년 9월 4일 발간)
이 논문에서 다이먼드는 데이비슨-쿤스만의 논문과 엘자서의 논문을 인용하면서, 전자를 결정에 입사하는 실험을 통해 드브로이의 물질파 가설을 확인해 볼 수 있음을 명확하게 말하고 있습니다. 그러나 그의 실험결과는 그다지 좋지 않았습니다.
이후 데이비슨과 저머가 정교한 실험에 성공했고, 거의 같은 시기에 영국의 조지 톰슨(George Paget Thomson)도 같은 실험을 해 냅니다. 톰슨은 다이먼드를 직접 인용하고 있습니다.
Davisson, C.; Germer, L. H. (1927). "The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel". Nature. 119 (2998): 558. doi:10.1038/119558a0
(1927년 3월 3일 투고. 4월 16일 발간)
Davisson, C. J.; Germer, L. H. (1928). "Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 14 (4): 317–322. doi:10.1073/pnas.14.4.317
Thomson, G. P.; Raid, A. (1927). "Diffraction of Cathode Rays by a Thin Film". Nature. 119 (3007): 890. doi:10.1038/119890a0
(1927년 5월 24일 투고. 6월 18일 발간)
(클린턴 데이비슨과 레스터 저머. 사진출처: 미국물리학회 (APS))
1926년에 막스 보른이 소위 '파동함수'를 확률로 해석해야 한다는 제안을 하고, 이것이 점점 더 양자역학에 대한 올바른 흠정 해석으로 자리를 잡아가는 동안에도 드브로이는 물질파에 대한 믿음을 버리지 않았습니다.
1927년에 데이비슨-저머의 실험과 톰슨의 실험이 발표되자, 사람들은 물질파가 실험으로 입증되었다고 말하기 시작했습니다. 아마 그 분위기 속에서 1929년 루이 드브로이의 노벨물리학상이 결정되었던 모양입니다.
그러나 하이젠베르크와 보른을 중심으로 물질파에 대한 의심이 더 커져갔습니다. 이것을 곧이곧대로 물리적 파동이라고 생각하면 납득할 수 없는 일이 한두 가지가 아니었기 때문입니다.
여하간 이 당시의 대단히 난해하고 복잡한 논쟁에서 '파동-입자 이중성'이란 아이디어가 자리를 잡았습니다. 전자나 빛(복사)은 어떤 측면에서는 파동처럼 행동하고 어떤 경우에는 입자처럼 행동한다는 어정쩡하고 다소 신비주의적인 이야기가 널리 퍼져나가기 시작했습니다.
슬라이드셰어에 있는 아래 슬라이드는 '표준적인' 물질파 이야기를 잘 보여줍니다.
PM [D01] Matter Waves
PM [D02] de Broglie deriving the Equation
PM [D03] What is there waving?
예를 들어 TED-Ed의 아래 애니메이션은 양자역학에서 이상하게 여겨지는 일이 모두 입자-파동 이중성에서 비롯된 것이라고 말하고 있습니다.
Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel
이 동영상 강의에는 한글자막도 있으니 참고하시기 바랍니다.
이 대목에서 바로 "자연철학적 접근"과 "물리학의 접근"의 차이가 두드러집니다.
TED-Ed의 그 동영상 강의를 하는 사람은 Chad Orzel이고 그의 역할은 Educator입니다. 이미 전문가인 물리학자들이 오랜 시간에 걸쳐 밝혀내고 찾아낸 그 자연의 진리를 더 알기 쉽게 다듬고 해설하는 역할이라는 뜻입니다. 따라서 이 이야기는 이미 종결된 것이고 이제는 그 완성된 이론을 더 알기 쉽게 포장하고 애니메이션이나 기타의 방법을 동원하여 잘 교육하는 것이 중요하다고 봅니다. 주류의 관점이라 할 수 있겠습니다.
자연철학적 접근은 바로 이 곳에서 의문을 품습니다.
- 드브로이가 이론적으로 제안하고 데이비슨-저머-톰슨이 실험으로 입증했다는 그 '물질파'는 정말로 세상에 존재하는 것일까?
- 정말 전자는 일종의 파동일까?
- 전자를 입자처럼 보아야 한다는 말이나 전자가 파동처럼 행동한다고 말할 때 "~처럼"이란 말의 정확한 의미가 무엇일까? 우리가 세상에 대해 무엇을 제대로 알 수 있을까?
- 뉴턴 역학이든, 상대성이론이든, 양자이론이든, 통계역학이든, 우주론이든, 생명론이든 자연과학이 "밝혀낸" 것이 정말 "밝혀낸" 것일까, 아니면 세상을 바라보는 하나의 관점인 것일까?
- 우리는 세상을 얼마나 알 수 있을까?
- 안다는 것은 또 무엇일까?
이런 질문들에 우리는 어떤 답을 가질 수 있을까요? <장회익의 자연철학 강의>가 점점 더 흥미진진해지는 까닭이 여기에 있습니다.
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