2013년에 발표된 겹실틈 실험의 실제 실험 결과를 직접 확인하는 것이 유익합니다.

Bach, R. et al. (2013) Controlled double-slit electron diffraction. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/15/3/033018

[그림 출처: Bach, R. et al. (2013)]

위의 그림처럼 세팅을 하고 실제로 전자를 하나씩 겹실틈으로 보내면 아래와 같은 결과를 얻습니다.

[그림 출처: Bach, R. et al. (2013)]

이 영상(클릭)은 겹실틈으로 전자가 하나씩 지나갈 때 스크린에 찍힌 결과를 보여줍니다. 겹실틈 실험을 파동의 중첩으로 해석하거나 설명하는 것이 왜 부적절한지 이해하려면, 실제 실험에서 확인할 수 있는 영상을 보는 것이 매우 중요합니다.

전자는 한번에 하나씩 겹실틈을 지나갑니다. 파동은 그렇지 않습니다. 반드시 함께 전체적으로 한꺼번에 지나갑니다. 그래서 그것을 수학적으로 서술할 때 선형 방정식을 쓰게 되고 그래서 같은 위치에 여러 파동이 겹치는 중첩(重疊, superposition)이 일어납니다.

이 실험에는 진짜 중첩이 전혀 없습니다. 한번에 하나씩 방출된 전자가 오랜 시간이 지난 뒤 위와 같은 결과를 보여줍니다. 하얀색은 전자가 더 많이 몰리는 곳이고 검은색은 전자가 덜 몰리는 곳입니다.

겹실틈 실험을 어떻게 해석하는 것이 올바른지 고민이 많이 필요합니다. 아래 자료가 도움이 될 것입니다.

Jürgen Audretsch (2007). Entangled Systems: New Directions in Quantum Physics. Wiley-VCH.

저자는 독일 콘스탄츠 대학의 물리학자인데, 원래 2004년에 독일어로 낸 책이 호평을 받으면서 3년 뒤에 영어 번역판을 냈습니다.

Jürgen Audretsch (2004). Verschränkte Systeme: Die Quantenphysik auf neuen Wegen. Wiley-VCH.

"겹실틈(이중 슬릿) 실험에서는 준비와 측정만을 다룬다. 실험결과에 간섭 패턴 모양이 나타난다는 사실로부터 개별적인 양자대상이 파동의 모양을 띤다거나 파동처럼 거동한다고 오해하면 안 된다. 양자역학에 대한 하이젠베르크의 표현에는 수학적 형식체계 안에서조차 파동의 퍼져나감이 전혀 없다. 마찬가지로 양자대상이 스크린에 점 하나를 만들어낸다는 사실이 곧 그것이 입자처럼 거동한다는 것을 의미하지 않는다. 측정장치는 그렇게 점 모양의 충돌을 표시하도록 구성되었을 뿐이다. 두 실틈 중 하나만 열려있다면 양자대상은 "그 경로를 따라" 지나가는 수밖에 없다. 이것도 양자대상이 입자처럼 거동한다는 의미가 아니다. 소위 양자역학의 입자-파동 문제(입자-파동 이중성)는 사이비 문제이다. 다른 한편 개별 양자 대상에 대해 합리적으로 말할 수 있다는 사실은 준비과정과 측정과정을 시간 축으로 분해하여 개별적으로 조절할 수 있다는 가능성에서 비롯된다."

"In the case of the two-slit experiment, we dealt only with the preparation and the measurement. The fact that the result ... has the form of an interference pattern is not to be misunderstood in terms that the individual quantum object takes on the form of a wave or behaves like a wave. In the Heisenberg representation of quantum mechanics, there is no recognisable wave propagation even in the mathematical formulation. Similarly, the fact that a quantum object produces a point on a screen does not imply that it behaves as a particle. The measurement apparatus is simply constructed in such a way that it displays point impacts. If only one slit is open, the quantum object can only have passed “along this path”. This again does not imply particle behaviour. The so-called quantum-mechanical wave-particle problem (or wave-particle duality) is a pseudo-problem. The fact that one can, on the other hand, reasonably speak of individual quantum objects is due to the possibility of carrying out preparation and measurement processes which are resolved on the time axis and can be individually controlled." (p. 28)

이 인용문에서 "두 실틈 중 하나만 열려있다면 양자대상은 "그 경로를 따라" 지나가는 수밖에 없다."라는 구절이 있는데, 이것을 더 정확하고 명료하게 설명한 것이 장회익 선생님의 <양자역학을 어떻게 이해할까?> 219-226쪽의 해설입니다. 변별체라는 것을 맨 끝에 있는 스크린으로 국한시키지 않고 처음 원천, 겹실틈, 스크린을 모두 변별체로 보아야 합니다.

아래 그림이 이 점을 잘 드러냅니다.

[출처: M. Trassinelli (2018). "Relational Quantum Mechanics and Probability". Foundations of Physics https://doi.org/10.1007/s10701-018-0207-7 ]

위의 그림에서 원천 S에서 전자나 무엇인가가 튀어나오는 것이 첫 번째 변별체입니다. 이것은 사방팔방으로 흩어질 수 있지만 겹실틈이 있는 쪽으로 간 것의 운명은 세 가지 중 하나입니다. 벽과 같은 C를 만나서 흡수되어 사라지거나 A 실틈으로 지나가거나 B 실틈으로 지나가는 것입니다. 그런데 여기에서 마음의 이미지로 무엇인가가 길을 따라 간다고 생각하는 것은 적절하지 않습니다. 그런 이미지는 이미 일상의 경험이나 고전역학에서 전제된 존재론을 서둘러 적용하는 것과 같습니다.

두 실틈이 모두 열려 있다면 C라는 변별체에 가서 흡수되는 '사건'이 일어나거나 A 나 B의 위치에서 변별체를 만나지 않아서 흔적을 남기지 않는 '빈 사건'이 일어납니다. C의 경우는 그대로 상황이 종료되지만, 그렇지 않다면 다시 상황이 이어집니다. 단지 C라는 변별체에 흡수되지 않았으므로 새로운 상태함수로 재조정이 있습니다.

세 번째 변별체는 맨 뒤에 있는 스크린입니다. 이를 연속적인 것으로 보아도 좋겠지만, 위의 그림처럼 여러 개의 변별체가 줄서서 놓여 있다고 해도 좋습니다.

장회익 선생님이 제안하시는 양자역학의 새로운 존재론으로 이 상황을 보면 실험을 분명하게 이해할 수 있습니다. 두 가지 다른 실험이 있습니다. 하나는 두 실틈을 모두 열어 놓는 경우이고 다른 하나는 한 실틈을 닫아 놓는 것입니다.

이를 잘 보여주는 것이 Bach, R. et al. (2013)의 실험입니다. 이 연구자들은 아주 영리한 방법을 생각해냈습니다. 아래 그림이 그것입니다.

[그림 출처: Bach, R. et al. (2013)]

위의 그림 왼쪽에 있는 노란색 가림막을 오른쪽으로 움직여가면서 전자를 방출하여 통과시키는 실험을 합니다. 처음에는 두 실틈이 모두 닫혀 있다가 먼저 왼쪽 실틈이 열립니다. 이 때 스크린에 나오는 것은 실틈 하나를 지나간 것이니 자연스럽게 밝고 어두운 무늬가 교차되는 무늬가 없습니다. 그러다가 오른쪽 실틈도 열리기 시작하면 그 무늬가 달라집니다. 두 실틈이 모두 열리면 위에서 본 것 같은 밝고 어두운 패턴이 명료해집니다. 그러다가 다시 왼쪽 실틈이 조금씩 닫히고 결국 모두 닫힐 때까지 그 무늬가 달라집니다. 마지막 사진처럼 두 실틈이 모두 닫히면 무늬는 없습니다.

Bach_2013_New_J._Phys._15_033018.pdf