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소개말
제가 어느날 운동하다가 본 신기한 현상을 보게 되었는데 왜 이런 현상이 생길까를 생각해보다가 가볍게 다같이 알아보면 재미있을 것 같아서, 양자역학을 가볍게나마 소개해드리고자 작성했습니다.
제가 전문가가 아니다보니 다소 틀린 내용이 있거나, 이해하기 어려운 설명들이 있을 수 있으니 양해 부탁드립니다. 또 여러 인터넷의 글과 사진들을 긁어온 것들이라, 사진 간의 통일성이 조금 부족합니다…
어느날 보게 된 현상
어느날 운동하다가 창문 밖을 봤는데, 보는 각도에 따라 신호등이 보이는게 달라져 신기해서 찍은 사진입니다.
여러분은 위 두 사진의 차이가 왜 발생하는지 아시나요? 위 두 사진 중 첫 번째 사진은 방충망이 없는 창문에서 찍은 사진이고, 빛이 번지는 현상이 나타나는 두 번째 사진은 방충망을 통해서 찍은 사진입니다.
빛의 파동성
위 현상이 발생하는 이유는 빛이 파동성을 가지기 때문입니다.
빛은 이와 같이 결국 파장을 가진 파동이기 때문에, 파동성을 가지고 있다는 것 입니다.
파동의 특징은
이처럼 서로 다른 파동과 독립적으로 진행하며,
서로 파동의 크기에만 간섭을 일으키게 됩니다.
만약 빛이 입자라면 좌측 그림과 같이 직진을 하게 될테지만, 실제 빛은 장애물을 지나 회절(휘어짐)하여 장애물이 가리고 있는 뒤쪽의 벽에도 도달하게 됩니다.
그렇다면 위의 빛이 십자로 번지는 현상은 파동성이랑 무슨 상관일까요? 이는 과학자 영(Young)이 했던 이중 슬릿 실험에서 알 수 있습니다.
이와 같이 작은 창(window)을 뚫어놓은 슬릿 2개를 겹쳐놓고, 스크린에 수직 방향으로 빛을 쏘았더니,
C 스크린에 위의 사진처럼 간섭 무늬가 생겼습니다.
이는 빛이 이처럼 각 슬릿을 통과할 때 회절을 하여 S1과 S2에서 발생한 두 빛의 파동이 서로 간섭을 일으켜 저러한 무늬를 만들어낸 것입니다.
이러한 원리로 방충망을 통해 사진을 찍으면 방충망의 가로-세로로 나누어진 구멍들을 통해 빛이 통과하고, 빛이 서로 간섭하여 이와 같이 십자 모양으로 빛이 퍼지면서 간섭 무늬가 발생하게 됩니다.
또한 사진은 따로 없지만 빛의 파동성 때문에 생기는 현상이기 때문에,
파동이 짧을수록 회절이 잘 발생하여 파장이 긴 빨간불일 때 저런 간섭 무늬가 잘 보이고 신호등이 초록불이면 파장이 짧아 상대적으로 덜 퍼져서 보이게 됩니다.
빛의 입자성
빛은 위처럼 파동의 성질도 가지고 있지만 입자의 성질도 같이 가지고 있습니다. 이를 활용한 대표적인 예가 디지털 카메라의 이미지 센서입니다.
원리를 간단하게 설명하자면
이처럼 금속판에 빛을 쏘게 되면 빛 입자가 금속판 내부의 전자와 부딪혀
전자에 에너지를 전달하게되고, 전자의 이동이 발생하게 되어 전기가 흐르게 되는 겁니다.
이게 왜 양자역학?
사실 제목을 양자역학이라 지은 이유는, 여기서 조금 더 나아가면 양자현상을 확인할 수 있기 때문입니다.
이처럼 간섭 무늬가 생기는 실험에서 중간 슬릿에,
빛이 어느 지점으로 통과를 하는지 관측을 하는 순간 간섭무늬가 사라지게 되고 이를 관찰자 효과라고 부릅니다.
양자역학에서는 미래를 예측 가능한 고전역학과 다르게 모든 입자가 확률로 존재하여 미래를 예측할 수 없다는 입장입니다. 때문에 슬릿에서 빛의 입자를 관측하는 순간, 해당 빛의 입자의 존재가 확정되면서 빛이 입자로써 위치가 고정이 되어버리는 것입니다.
정리
사실 이 내용들은 일상에서 몰라도 상관 없기 때문에, 내용에 거부감이 드신다면 굳이 이해하실 필요는 없습니다. 다만 원리를 조금만 이해한다면 일상에서 발견한 신기한 현상들을 이해할 수 있기 때문에 까비 지식회에 들고 오게 되었습니다. 최대한 어려운 내용 배제하고 이해하기 쉽게 가져오도록 노력했는데, 많은 사람들이 이해하셨으면 좋겠습니다.
오늘 내용에 관심이 있다면 물리학과 전공인 sichoi님을 찾아가보시는 것을 추천드립니다(나는 잘 모름).