영의 이중슬릿 실험 편집하기

<big>[[과학사]]적으로 기념비적인 물리학 실험</big>

이 실험의 의의는, ([[상대성 이론]]과 [[양자역학]] 대두 이전의) 고전물리학에서 벌어지던 광자설과 광파설 사이의 논쟁을 '''아주 깔끔한 단 하나의 실험으로 (광파설의 완승으로) 종결 낸''' 실험이라는 점이다. [[물리학]] 역사상 가장 위대한 실험 중 하나라는 평.

[[광자설]]의 명쾌한 증명인 [[광전 효과]] 논문이 [[노벨상]]을 수상한 것을 보아, 이 실험 역시도 '''노벨상이 있었을 때''' 수행되었다면 어렵지 않게 노벨상을 받을 수 있었을 것이다. 이 실험을 수행한 토마스 영<ref>1773년 6월 13일~1829년 5월 10일.</ref>이 노벨상이 만들어지기 전<ref>최초의 노벨 물리학상 수상은 1901년에 있었다.</ref>에 사망했다는 것만이 이 실험이 노벨상을 받지 못한 유일한 이유인 셈이다.

== 과학사적 배경 ==
[[물리학]]은 분명히 이 세상에 존재하는 모든 "자연적인" 현상을 설명하는 것을 목표로 시작했으므로 엄연한 자연 현상 중 하나인 [[빛]] 역시도 물리학이 설명할 수 있는 범위 안에 있었어야 했다. [[아이작 뉴턴]]이 현역으로 뛰고 있었을 시절에는, 그 전까지는 영원히 신비의 영역일 것 같았던 '''천체의 운동'''이 인간의 계산으로 설명이 되고 심지어 천체 운동을 예측하는 것과 지상의 운동을 예측하는 것이 '''[[뉴턴의 운동 법칙|동일한 법칙에 의해서]]''' 이뤄졌음이 밝혀졌으므로<ref>이걸 상징적으로 드러낸 사건이 바로 [[핼리 혜성]]의 발견이었다.</ref>, 이 기세대로라면 자연의 법칙을 설명함에 있어서 [[종교]]의 영향력을 배제하고 인간의 지성만으로도 충분히 가능할 것이라는 자신감이 하늘을 찌르던 시기였다.<ref>엄밀히 말하면 진짜로 과학계가 그런 자신감에 가득 차게 되는 시기는 19세기 말엽이지만, 뉴턴역학의 완성도 과학사적 의의에서는 저런 문구에 조금도 모자람이 없는 대사건이었다.</ref>

그런 분위기였으므로, 그전까지는 존재 자체가 [[신]]의 영접쯤으로 느껴지던 [[빛]]이란 현상도 물리학자들이 '''자연 법칙'''의 테두리 안에서 설명하고 싶어했던 것은 당연하다. 일단 아이작 뉴턴 본인부터가 빛을 건드렸고, [[광속|빛의 속도]]를 측정하려는 실험은 [[갈릴레오 갈릴레이]] 때 이미 계획되어 있었다. (하지만 당대의 장비 수준으로는 빛의 속도를 실제로 측정할 수는 없었다.)

아이작 뉴턴은 빛을 입자라고 주장했고, 굴절 현상은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 넘어갈 때 매질의 경계면에서 인력을 받아서 그렇게 된 것이라고 주장했다. 호이겐스와 같은 학자들은 이에 반대했으나, 뉴턴 당대에는 뉴턴의 이 주장을 [[칼 포퍼|검증할 방법도 반증할 방법도 없어서]] 그냥 그런가보다 하고 묻혀졌다.

하지만 [[광학]]이 더 발전하면서 뉴턴의 설명은 틀렸다는 것이 밝혀졌다. 뉴턴의 설명대로라면 굴절률이 큰 매질로 빛이 들어갈 때는 (빛이 '''인력을 받아서''' 법선<ref>입사평면에서 수직한 방향으로 그은 선</ref>과 이루는 각이 벌어지니까) 빛의 파장이 커져야 하는데,<ref>파동의 속도는 진동수 곱하기 파장으로 계산할 수 있는데, 상식적으로 진동수는 파동이 일단 형성되고 나면 절대 바뀔 수 없는 것이 당연하다. 따라서 파장의 변화를 측정하면 빛의 속도의 변화는 측정할 수 있다. 빛이 빨주노초파남보의 [[스펙트럼]] 순서대로 파장이 짧아진다는 현상 자체는 사실 꽤나 오래전부터 알려져 있었다.</ref> 실제 파동의 행동을 보면 굴절률이 큰 매질로 빛이 들어가면 파장은 오히려 짧아진다. 따라서 뉴턴의 설명은 틀린 설명이라는 것이 실험적으로 증명되었다.

하지만 이것만으로는 빛이 입자인지 파동인지를 말끔히 증명하기는 힘들었다. 거시적인 세계에서 [[뉴턴의 운동 법칙]]을 만족시키지 않는 것으로 밝혀진 빛이 (간단하게, 거울이 빛을 반사할 때 그 반동으로 거울이 뒤로 밀리는 것을 본 적이 있는가? 빛이 뉴턴의 운동 법칙을 따르는 '''입자'''라면, 거울이 빛을 반사할 때 거울 역시도 그 반작용으로 뒤로 밀려나던지 충격을 받던지 해야 한다. 하지만 거시 세계에서는 그런 현상은 전혀 관측된 바가 없다.)<ref>물론 '''미시 세계에서는''' 빛이 광자로서 행동할 때는 뉴턴의 운동 법칙을 만족시키는 것이 맞다. ([[콤프턴 효과]]나 [[광전 효과]] 등등으로 실험적으로 증명된 사실) 하지만 당대 과학에서는 빛의 미시적 성질을 연구할 수 있는 여력은 없었고, [[물질-파동의 이중성]]은 해당 '물체'가 '''물질로서 행동할 때는 파동의 성질을 전혀 보이지 않고, 파동으로서 행동할 때는 물질의 성질을 전혀 보이지 않는다'''가 애초의 내용이다.</ref> 입자라고 보기는 매우 힘들었다. 하지만 빛이 입자가 아니면 파동이라는 명쾌한 증거 역시도 나와 있지 않는 상황이었다. 아니면 빛은 입자도 아니고 파동도 아닌 제3의 존재라는 가정도 해볼만한 가정이었는데, 이미 그 당대에도 [[호이겐스의 원리]]나 페르마의 최소 시간의 원리 등, 빛이 파동일 수 있다는 정황증거는 나와 있는 상황이었다.

이때, 토마스 영이라는 천재 [[물리학자]]<ref>사실 이 사람은 물리학자라는 수식어로 한정할 수 없는 사람인 것이, [[초등학교]] 시절에 [[라틴어]]와 그리스어를 포함한 수많은 언어를 마스터하고, '''[[석유]]를 유용하게 정제해내는 기법도 발견하고,''' [[로제타 석]]의 해석에도 기여하였으며, 본 전공은 [[의학]]인 [[메리 수]]형 천재였다. (...)</ref>가 튀어나와서 빛이 파동의 일종이라는 것을 매우 말끔하게 증명을 한다.

== 실험 설계 ==
당대 물리학계의 지식에서도 파동은 굴절, 반사, 간섭, 회절의 성질을 갖는다는 것은 알려져 있었다. 여기서 굴절이나 반사는 조건이 맞으면 입자도 할 수 있는 것이지만, '''간섭과 회절은 물질 입자는 절대로 일으킬 수 없는 성질임이 당대에도 이미 증명되어 있었다.''' [[뉴턴의 운동 법칙]]을 따르는 물질 입자가 아닌, [[호이겐스의 원리]]를 따르는 파동만이 간섭과 회절을 보일 수 있는 것이다.

그렇다면, 빛이 입자냐 파동이냐 라는 논쟁을 끝내기 위해서는 빛이 간섭과 회절을 할 수 있도록 장치를 만들어서 그 안에서 빛이 어떻게 행동하는지를 보이면 되는 일이었다. 빛이 파동이 맞다면 그 장치 안에서 빛은 훌륭하게 간섭과 회절을 할 것이고, 빛이 파동이 아니라면 그 장치 안에서 빛이 간섭과 회절을 했다는 증거가 발생하지 않을 것이다. 그에 대한 아이디어를 아주 간단한 개념도로 수립하고 실제 장치로 제작한 것이 바로 토마스 영의 업적인 것이다.

[[파일:Ebohr1.svg|600px|thumb|가운데|[[물리학]] 역사상 가장 아름다운 실험 개념도 중 하나로 꼽히는 그림. 얼마나 아름다운 실험이었으면, 저 실험이 나온 지 200년은 족히 지났을 지금까지도 [[수능]] 물리과목 문제에서 저 그림 자체가 문제로 그렇게나 자주 출제된다.]]

위의 그림은 토마스 영이 설계한 장치를 [[조감도|위에서 바라본 것]]이다. 첫 번째 슬릿(S1)에서는 할 수 있을만큼 가장 얇고 길게 [[면도칼]] 자국<ref>사실은 칼자국을 슬릿이라고 부른다.</ref>을 내서 빛이 그 칼자국 틈새 안에서 회절하도록 만든다. [[호이겐스의 원리]]에 따라서 이렇게 "충분히 얇고 긴" 칼자국을 통과하여 회절된 빛은 슬릿을 기둥의 심으로 하는 원기둥 모양의<ref>실제로는 '''슬릿의 양끝 질점'''에서 발생한 파동은 각각의 끝 방향으로 구면파를 형성한다. 하지만 그쪽 부분은 오차 요소로 trim되는 부분이므로, 거길 빼고 생각한다면 여기서 발생하는 파동은 원기둥 모양이 맞다.</ref> 새로운 파동을 형성한다. 이 원기둥에서는, (호이겐스의 원리 그 자체에 의해) 면도칼 자국에서 같은 거리만큼을 떨어져 있는 반원형의 질점 모두가 같은 [[위상]]을 갖게 된다. (이걸 '결이 맞는다'라고 표현한다.)

이렇게 한 다음에, S1에서 약간 떨어진 위치에 S1과 서로 같은 거리만큼 떨어져 있는 2개의 칼자국을 또 긋는다. (이 2개의 칼자국을 S2라고 한다.) S2에서의 두 칼자국이 S1의 칼자국에서 같은 거리만큼 떨어져 있다면, S1에서 결맞음을 확보한 빛은 S2의 두 칼자국에 들어갈 때도 같은 위상으로 들어가게 된다. 그리고 그렇게 S2에 들어간 빛은, S2의 각각의 칼자국에서 S1에서처럼 또다시 회절하며, 원기둥 모양의 또 다른 파동 2개를 형성한다.

([[레이저]]를 쓸 수 있었던 시대라면 이렇게 번거롭게 결맞음을 확보할 필요 없이 그냥 레이저를 대구경으로 만들어서 두 슬릿에 모두 들어가도록 쏘면 되는 문제였다. 하지만 영은 19세기 사람이었고, 그 시대에는 당연히 레이저가 없었다.)

이렇게 S2를 통과한 두 빛은 멀리 떨어져 있는 스크린 F에 상으로 맺힌다. (실제 이 실험을 재현할 때, S1과 S2 사이의 거리를 10cm 정도로 놓고 각각의 칼자국의 길이를 몇cm 정도로 놓는다면 S2에서 F까지의 거리는 최소 1m로 놓는 게 보통이다.) 이때 스크린 F에는 S2에서의 두 슬릿의 가운데 위치(이자 맨 처음의 S1의 위치)에서 빛이 밝게 비추는 것을 시작으로 해서 빛이 밝게 비추는 부분과 빛이 전혀 비추지 않는 (것처럼 보이는) 부분이 일정 간격으로 주기적으로 반복되는데, 그게 바로 스크린 F에서 S2에서 나온 두 빛이 간섭을 일으키고 있다는 증거가 되는 것이다.<ref>이렇게 스크린에 줄무늬 생기는 게 "왜" 빛의 간섭에 대한 증거가 되는지에 대해서는 [[시리즈:심오한 파동의 세계]] 참조.</ref>

'''이로써 토마스 영은 저 간단한 장치 하나만으로 빛이 간섭과 회절을 모두 일으킨다는 사실을 한번에 증명해 버리고, 빛은 입자가 아니라 파동이라는 사실에 대해 모든 반박을 봉쇄한다.'''

이렇게 빛은 이견의 여지 없이 파동이라는 것이 증명되는 '''듯하였다.'''

== 후일담 ==
하지만 [[편광]] 현상의 발견으로 인해 빛이 파동이라면 종파가 아닌 횡파임이 밝혀졌는데, 물리학의 상식에 따르면 횡파는 고체 속에서만 전달될 수 있다.<ref>중1 때 지구의 구조에 대해서 배울 때 [[지진파]]의 종류에는 종파인 P파와 횡파인 S파가 있는데 여기서 횡파인 S파가 전달되지 않는 지점이 있더라 라는 실험 결과에서 [[외핵]]이 액체 상태임을 알아냈다는 이야기는 다들 들어보셨을 것이다.</ref> '''그런데 빈 공간을 멀쩡히 날아다니는 빛이 횡파라는 것은, 우리가 멀쩡히 숨을 쉬고 돌아다니는 공간이 고체로 가득 차 있다는 이야기로밖에는 설명이 안 되었다. ''' 하지만 물리학자들은 빛이 파동인 것으로 밝혀졌다는 저 멀쩡한 실험결과를 버릴 수도 없었기 때문에, "사실 [[Ad Hoc|인간들이 못 느끼고 있다뿐이지]] 원래 우주는 고체로 가득 차 있는 게 '''맞음'''"이라는 이론을 내게 되었고, 공기중과 진공을 포함해서 우주의 어느 곳에도 예외없이 꽉꽉 들어차 있다는 그 '''가상의 고체 매질'''에 [[에테르 (물리)|에테르]]라고 이름까지 붙여 놓는다.

하지만 그런 임시변통식 설명으로는 도저히 설명을 할 수 없는 '''괴현상'''이 2개가 발견되었으니, 하나는 [[광전 효과]]<ref>빛이 입자의 성질을 띠는 것을 증명하는 실험</ref>고 하나는 맥스웰의 전자기학 이론에서의 유도와 [[마이컬슨-몰리 실험]]의 실패로 밝혀진 [[광속도 불변의 법칙]]이다. '''[[알베르트 아인슈타인]]이 저런 역대급 괴현상을 말끔하게 설명해낸 것으로 [[아인슈타인의 기적의 해|물리학계에 이름을 처음 알리기 시작한다.]]'''

== 기타 ==
[[카카오톡]]의 유료 이모티콘 중 하나인 '[[이과]]티콘3'에, 영의 이중슬릿 조감도에서 2번째 슬릿을 틀어막는 장면을 보여주며 "간섭하지 마"라고 말하는 이모티콘이 있다. (...)

{{각주}}
[[분류:물리학]]
[[분류:실험]]