이중 슬릿 실험

벽에 세로로 좁은 틈 두 개를 나란히 뚫고 야구공을 던진다고 상상해 보세요. 벽 뒤쪽 스크린에는 당연히 두 줄의 공 자국만 남을 거예요. 공은 단단한 알갱이라서 왼쪽이나 오른쪽 틈 중 한 군데만 지나갈 수 있기 때문이에요.

그런데 공 대신 물을 찰랑거리게 흔들어 파동을 보내면 전혀 다른 일이 벌어져요. 두 틈을 통과한 두 갈래 물결이 서로 만나면서, 물결의 높은 곳끼리 만난 곳은 더 높아지고 낮은 곳과 만난 곳은 잔잔해져요. 그 결과 스크린에는 여러 가닥의 밝고 어두운 줄무늬가 나타나요.

이런 줄무늬를 물리에서는 간섭무늬라고 불러요. 파동 두 개가 서로 겹치며 힘을 합치거나 상쇄될 때만 생기는 독특한 무늬예요. 빛을 두 틈에 비췄을 때도 똑같은 줄무늬가 나타나면서, 오랫동안 과학자들은 빛이 당연히 물결 같은 파동이라고 굳게 믿었어요.

과학자들은 아주 작은 물질 알갱이인 전자를 가지고 실험을 다시 해보았어요. 전자는 쪼갤 수 없는 분명한 물질 알갱이라서, 스크린에 당연히 야구공처럼 두 줄의 자국만 남길 줄 알았죠. 심지어 전자를 한 번에 딱 한 개씩, 아주 긴 시간 간격을 두고 천천히 쏘아보냈어요.

전자가 날아갈 때 서로 부딪힐 다른 전자가 전혀 없으니, 무조건 왼쪽 틈이나 오른쪽 틈 중 하나만 골라서 통과해야 상식에 맞아요. 그런데 놀랍게도 스크린에 하나둘 찍힌 점들이 수천 개 모이자, 물결 파동처럼 여러 줄의 간섭무늬를 스스로 완성했어요.

알갱이 하나가 스스로 두 틈을 동시에 지나서 자기 자신과 만난 것과 같은 결과예요. 어느 틈을 지났는지 모르는 동안 전자는 정해진 한 점의 알갱이가 아니라, 공간 전체로 퍼져나가는 확률의 물결처럼 행동한 거예요. 알갱이 하나하나에도 파동의 성질이 들어 있다는 것을 눈앞에 또렷하게 보여 준 결과였어요.

도대체 어떻게 전자 하나가 두 틈을 동시에 지나는지 궁금해진 물리학자들은 두 틈 앞에 미세한 감지기를 둔다고 상상해 보았어요(사고실험). 전자가 왼쪽으로 가는지 오른쪽으로 가는지 똑똑히 지켜보자는 생각이었죠. 이후 광자나 원자 등을 쓴 여러 형태의 실제 실험에서, 정말 상식으로는 믿기 힘든 결과가 확인됐어요.

입자가 어느 틈을 지나는지 경로 정보를 얻는 순간 간섭무늬가 감쪽같이 사라지고, 두 틈을 각각 따로 지난 알갱이 분포를 단순히 합친 모양만 남았어요. 마치 누군가 지켜보고 있다는 사실을 눈치챈 것처럼 행동을 바꾼 것이죠. 측정을 멈추면 다시 여러 줄의 무늬가 나타났어요.

조금 더 정확히 말하면, 미시 세계에서 관측이란 단순히 눈으로 바라보는 것이 아니라 측정 장치가 입자와 물리적으로 상호작용해 어느 길로 갔는지에 대한 정보를 남기는 과정이에요. 입자를 세게 건드리지 않아도 이 정보가 생기는 것만으로 두 경로의 간섭이 사라져요. 이를 흔히 파동 상태가 '붕괴'한다고 설명하지만, 그 해석은 여러 가지예요.