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물리 원자를 이용한 이중 슬릿 실험
2015.06.07 16:30
원자를 이용한 이중 슬릿 실험http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015050439&service_code=03 |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-01 | |
| 원자와 같은 거대 양자 입자는 이중 슬릿 실험에서 그것이 관측될 때에 따라 다르게 거동할까? 1978년, John Wheeler의 유명한 지연된 선택 사고 실험에서 이 문제를 다루었다. 이제 그에 대한 대답이 실험적으로 질량을 가진 입자에 대해서 처음으로 관측되었다. 이 결과는 질량을 가진 입자가 그것의 파동 또는 입자 거동에 의해서 기술될 수 있는지를 측정이 이루어졌을 때까지 알 수 없다는 것이다. 사용된 기술은 차세대 물리 연구를 위한 실질적인 응용성을 가지고 있으며 일부는 정보 이론에 이용될 수 있을 것이다. 유명한 이중 슬릿 실험에서 포톤과 같은 단일 입자들은 두 개의 슬릿을 포함하고 있는 스크린을 통하여 동시에 지나갈 수 있다. 만약에 이런 두 경로가 모니터될 수 있다면, 포톤은 하나의 슬릿 또는 다른 슬릿을 통하여 지나가는 것이 관측될 것이고 간섭은 관측되지 않을 것이다. 역으로, 어떤 것도 조사할 수 없다면 포톤은 파동처럼 거동하여 그 자체와 간섭하기 전에 동시에 두 슬릿을 통과할 것이다. 1978년 미국의 이론 물리학자인 John Wheeler는 슬릿을 통과하는 입자가 잘 정의된 경로로 정의될 수 있는지를 밝힐 수 있는 일련의 실험을 제안하였다. 그런 실험을 통하여 입자가 하나의 슬릿을 통과하는지 또는 두 개의 슬릿을 통과하는지를 알고자 하였던 것이다. 실험에서, 포톤을 관측하고자 하는 결정은 포톤들이 방출된 이후에만 가능하다. 예를 들어, 슬릿 중의 하나를 열거나 닫고자 하는 결정이 입자가 하나의 슬릿 또는 두개의 슬릿을 통하여 지나간 다음 이루어진다면 어떤 일이 발생할까? 만약에 간섭 패턴이 두 번째 슬릿이 열렸을 때, 여전히 관측된다면, 이것은 입자의 경로를 측정하고자 하는 결정이 연구진이 어떤 경로를 취할지에 관한 그것의 과거 결정에 영향을 미친다는 것을 나타내는 것이다. 이것은 또한 입자의 위치가 측정과는 무관하게 정의된다는 고전적인 개념이 적용되지 않는다는 것을 의미한다. Wheeler가 이런 실험이 단순한 사고 실험으로 간주하였지만, 실험 기술의 발전의 프랑스 연구진은 실제로 2007넌 단일 포톤으로 이런 실험을 수행하였다. 이들은 Wheeler에 의해서 제안된 슬릿 대신에 빔분리기를 이용하였다. 두 번째 빔분리기를 임의적으로 집어넣거나 제거함으로써, 이들 연구진은 두 개의 경로를 재결합하거나 또는 그것들을 분리된 상태로 둘 수 있었다. 이들 연구진은 만약에 두 번째 빔분리기가 들어가면, 포톤이 첫 번째 빔분리기를 지나가도 간섭 패턴이 형성된다는 것을 보여주었다. 양자 역학의 입자 파동 이중성은 모든 양자 물체가 입자 또는 파동으로서의 거동을 결정할 수 있다. 이제 호주 국립 대학의 Andrew Truscott와 그의 동료 연구진은 거울과 빔분리기에 의해서 휜 포톤 대신에 레이저 펄스에 의해서 휜 원자들을 이용하여 Wheeler의 실험을 진행하였다. 헬륨 원자들은 광학적 쌍극자 트랩으로부터 하나씩 방출되어 중력 하에 낙하하였다. 그것은 레이저 펄스에 의해서 충돌하였으며 조절 가능한 위상차로 서로 다른 방향으로 진행하는 두 개의 운동량 상태의 균등한 중첩으로 휘어졌다. 이것은 첫 빔분리기였다. 연구진은 그다음 두 번째 레이저 펄스를 이용하여 두 개의 상태를 재결합하고 혼합된 상태를 만들었다. 하나는 두 개의 파동을 더하여 형성되었으며 다른 하나는 그것들을 감하여 형성되었다. 이런 최종 레이저 펄스는 두 개의 경로 중에 어떤 경로를 따라 포톤이 움직였는지를 알아내는 것을 불가능하게 만들었다. 이들 연구진은 두 경로 사이의 위상차를 변경함으로써 실험을 반복적으로 수행하였다. Truscott 연구진은 두 번째 레이저 펄스가 인가되지 않으면, 각각의 운동량 상태에서 원자가 검출될 수 있는 확률이 두 상태 사이의 위상 지연과는 상관없이 0.5라는 것을 발견하였다. 그러나 두 번째 펄스를 인가하면 명백한 사인 파동 간섭패턴이 발생되었다. 파동이 빔분리기에서 완벽하게 위상이 맞게 도착하면, 파동은 보강 간섭을 한다. 파동의 위상이 서로 반대이면, 그것들은 소멸적으로 간섭하여 최종 상태는 약한 파동이 된다. 실제로 Truscott 및 Aspect의 실험은 둘 다 모두 입자의 파동성 또는 입자성이 측정이 완료될 때까지 잘 정의되지 않는다는 것을 보여주었다. 확률상으로 잘 발생하지 않을 것 같은 다른 옵션은 입자가 미래로부터 정보를 갖는 역행 인과(backward causation)이다. 이것은 상대성 원리에 의해서 금지된 빛보다 더 빠르게 메시지가 전달되어야 하는 것을 포함하고 있다. Aspect는 이들의 연구가 매우 훌륭한 것이라고 평하였다. 매우 정밀하게 단일 원자를 제어할 수 있는 기술은 양자 정보에 매우 유용할 것이라고 그는 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 Nature Physics 저널에 발표되었다. 첨부그림: 이중 슬릿 실험에서 역행 인과(backward causation)가 발생할 수 있을까? |
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자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.
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