파동-입자 이중설 - Wave–particle duality [1]

파동-입자 이중설 - Wave–particle duality

파동-입자 이중성은 양자역학에서 모든 입자나 양자 실체를 입자나 파동 중 하나로 설명할 수 있는 개념이다. 고전적인 개념인 "입자"나 "파동"이 양자 척도 물체의 행동을 완전히 묘사할 수 없는 것을 표현한다. 알버트 아인슈타인은 이렇게 말했다.

우리가 때로는 하나의 이론을 사용하고 때로는 다른 이론을 사용해야 하는 반면, 때로는 둘 중 하나를 사용해야 하는 것처럼 보인다. 우리는 새로운 종류의 어려움에 직면해 있다. 우리는 현실에 대한 두 가지 모순된 그림을 가지고 있다. 두 그림 모두 빛의 현상을 완전히 설명하지는 않지만, 함께 한다.

맥스 플랑크, 알버트 아인슈타인, 루이 드 브로글리, 아서 콤프턴, 닐스 보어 등의 연구를 통해 현재의 과학 이론은 모든 입자가 파동 성질을 보이고 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 증명하고 있다. 이 현상은 기초 입자뿐만 아니라 원자, 심지어 분자와 같은 복합 입자에 대해서도 검증되었다. 거시적 입자의 경우 극히 짧은 파장 때문에 파장 특성은 대개 검출할 수 없다. 파동 입자 이중성의 사용은 물리학에서 잘 작용했지만, 의미나 해석은 만족스럽게 해결되지 않았다. 보어는 "이중성의 역설"을 자연의 근본적 또는 형이상학적 사실로 여겼다. 주어진 종류의 양자 물체는 때때로 파동, 때로는 입자, 그리고 각각 다른 물리적 설정으로 나타날 것이다. 그는 그러한 이중성을 보완성의 개념의 한 측면으로 보았다. Bohr는 양자역학 계정에 필수적인 공간 시간 그림의 인과 관계 또는 보완성의 포기를 고려했다.

베르너 하이젠베르크는 그 질문을 더 깊이 생각했다. 그는 이중성을 모든 양자 실체에 존재하는 것으로 보았지만, 보어가 고려하는 일반적인 양자역학계정에서는 그다지 존재하지 않았다. 그는 그것을 2차 정량화라고 불리는 것에서 보았다. 그것은 보통의 시공간에서 존재하며 인과관계는 여전히 가시화되고 있는 완전히 새로운 개념은 완전히 새로운 개념이다. 고전적 자기장 값(예: 맥스웰의 전기장과 자기장 강도)은 양자장 이론에서 고찰한 바와 같이 완전히 새로운 종류의 자기장 값으로 대체된다. 추론을 돌려보면, 보통의 양자역학은 양자장 이론의 특수한 결과로 추론될 수 있다.

빛의 고전적 입자와 파동 이론

데모크리토스(BC 5세기)는 빛을 포함한 우주의 모든 사물은 불가분의 하위 구성 요소로 이루어져 있다고 주장했다. 유클리드(BC 4세기~3세기)는 광 전파에 관한 논문을 제공하며 구면을 포함한 거울에 대한 다중 반사를 포함한 빛의 최단 궤적의 원리를 기술하고 있으며, 플루타르(AD 1세기-2세기)는 실제든 가상이든 포함이든 더 크거나 더 작은 이미지의 생성을 논하는 구형 거울에 대한 다중 반사를 기술하고 있다.영상의 운율의 경우를 딩하다. 11세기 초 아랍의 과학자 이븐 알 하이담은 방출 지점에서 눈으로 이동하는 빛의 광선을 통해 반사, 굴절, 핀홀 렌즈 작동을 기술하는 최초의 포괄적인 광학 책을 썼다. 그는 이 광선들이 빛의 입자로 구성되어 있다고 주장했다. 1630년 레네 데카르트는 빛에 관한 논문인 '세상'(Descartes)에서 반대파 설명을 대중화하고 인가하여, 빛의 행동이 범용 매체에서 파동 같은 장애를 모델링함으로써 다시 만들어질 수 있음을 보여주었다. 1670년에 시작하여 30년에 걸쳐 진행된 아이작 뉴턴은 완벽하게 직선의 반사선이 빛의 입자성을 증명하고, 오직 입자만이 그렇게 직선으로 이동할 수 있다고 주장하면서 그의 분자 이론을 발전시키고 옹호했다. 그는 빛의 입자가 보다 밀도가 높은 매체에 들어가면서 횡방향으로 가속된다는 점을 내세우며 굴절을 설명했다. 비슷한 시기에 뉴턴의 동시대의 로버트 후크와 크리스티안 후이겐스, 그리고 후에 아우구스틴-장 프레스넬은 빛이 다른 매체에서 다른 속도로 이동한다면 굴절은 광파의 중간 의존적 전파로 쉽게 설명될 수 있다는 것을 보여주면서 파동 관점을 수학적으로 다듬었다. 그 결과로 생긴 Huygens-Fresnel 원리는 빛의 행동을 재현하는 데 극히 성공적이었고, 그 후 1801년 그의 이중 슬릿 실험에 의해 토마스 영이 빛의 파장 간섭을 발견한 것에 의해 지지를 받았다. 파도는 즉시 광선과 입자의 시야를 대체하지 않고 대안이 설명할 수 없는 양극화 현상을 설명할 수 있었기 때문에 19세기 중반부터 빛에 대한 과학적 사고를 지배하기 시작했다.

맥스웰은 자신이 이전에 발견한 맥스웰의 방정식을 적용할 수 있다는 것을 발견했고, 진동하는 전기장과 자기장의 자기 계발 파동을 설명하는 약간의 수정도 함께 했다. 가시광선, 자외선, 적외선 등은 모두 주파수가 다른 전자기파라는 것이 금방 분명해졌다.

흑체방사선과 플랑크의 법칙

1901년 맥스 플랑크는 빛나는 물체가 방출하는 빛의 관측 스펙트럼을 재현하는 데 성공한 분석을 발표했다. 이를 위해 플랑크는 오실레이터의 정량화된 에너지, 즉 방사선을 방출하는 검은 몸의 원자에 대한 수학적 가정을 해야 했다. 아인슈타인은 나중에 전자기 방사선 그 자체는 방사 원자의 에너지가 아니라 정량화되어야 한다고 제안했다.

물체의 열에 의한 전자기 에너지 방출인 흑체 방사선은 고전적인 주장만으로는 설명할 수 없었다. 모든 고전적 열역학 이론의 기초인 고전역학의 등전 정리에서는 물체의 에너지가 물체의 진동모드 사이에 균등하게 분할되어 있다고 기술했다. 그러나 그와 같은 열 물체의 전자기 방출에 같은 추론을 적용하는 것은 그다지 성공적이지 못했다. 열 물체가 빛을 방출한다는 것은 오래 전부터 알려져 있었다. 빛이 전자석의 파동이라고 알려져 있었기 때문에 물리학자들은 고전적인 법칙을 통해 이 방출에 대해 설명하기를 희망했다. 이것은 흑체 문제로 알려지게 되었다. 등전 정리가 열 물체 자체의 진동 모드를 설명하는 데 너무나 잘 작용했으므로, 그러한 물체의 복사 방출을 기술하는 데 있어서 동등하게 잘 수행될 것이라고 가정하는 것은 당연했다. 그러나 각 모드가 동일한 에너지 분할을 받는다면 짧은 파장 모드는 모든 에너지를 소비하게 될 것이다. 이는 장파장 방출의 강도를 정확하게 예측하면서도 단파의 경우 강도가 무한대로 분산됨에 따라 무한 총 에너지를 예측한 레일리-제안스 법칙을 설계할 때 명확해졌다. 이것은 자외선 대재앙으로 알려지게 되었다.

1900년에 맥스 플랑크는 흑체가 방출하는 빛의 주파수는 그것을 방출하는 오실레이터의 주파수에 따라 달라지며, 이러한 오실레이터의 에너지는 주파수에 따라 선형적으로 증가한다고 가설을 세웠다. 진폭이 같지만 주파수가 다른 5개의 단순 고조파 오실레이터를 연구할 때 거시적 오실레이터가 유사하게 작동한다는 점을 고려하면 이는 불건전한 제안이 아니었다(이 관계는 플랑크처럼 선형적이지 않지만). 플랑크는 동일한 주파수의 오실레이터에 의해 고주파 빛을 방출해야 하며, 나아가 이 오실레이터가 더 적은 주파수 중 하나보다 더 높은 에너지를 차지하도록 요구함으로써, 대재앙을 피하여 연속적으로 더 적은 수의 오실레이터와 덜 방출된 빛을 생성하는 고주파 오실레이터에 동일한 파티션을 부여했다. 그리고 맥스웰-볼츠만 분포에서와 마찬가지로, 저주파, 저에너지 오실레이터는 고에너지 오실레이터로부터 열 지글링의 맹공에 의해 억제되었으며, 이는 반드시 에너지와 주파수를 증가시켰다.

플랑크가 흑체를 치료하는 가장 혁명적인 측면은 전자기장과 열 평형에서 오실레이터의 정수수에 의존한다는 것이다. 이러한 발진기는 전자기장에 전체 에너지를 공급하여 전자기장에 의해 흥분되는 만큼 자주 빛의 양자(퀀텀)를 생성하여 빛의 양자(퀀텀)를 흡수하고 해당 주파수에서 진동을 시작한다. 플랑크는 의도적으로 흑체의 원자 이론을 만들어냈지만 의도치 않게 빛의 원자 이론을 만들어 냈는데, 여기서 흑체는 hf 이하의 에너지로 주어진 주파수에서 결코 빛의 퀀타를 생성하지 않는다. 그러나 일단 전자기장을 계량화했다는 사실을 깨닫고 나서 그는 빛의 입자를 현실의 속성이 아니라 근사치의 한계라고 비난했다.

광전 효과

플랑크가 원자와 정량화된 전자기장을 이용해 자외선 대재앙을 해결한 반면, 대부분의 현대 물리학자들은 플랑크의 '라이트 콴타'가 그의 모델의 결함만을 나타낸다고 입을 모았다. 흑체 방사선의 보다 완전한 파생은 정량화 없이 완전히 연속적이고 "파동과 같은" 전자기장을 산출할 것이다. 그러나 1905년 알버트 아인슈타인은 플랑크의 검은 몸 모형을 가지고 오늘의 또 다른 문제인 광전 효과에 대한 해결책을 내놓았다. 광전 효과는 원자로부터 전자가 빛으로부터 에너지를 흡수할 때 방출되는 것이다. 그들의 존재가 8년 전에 이론화되었기 때문에, 현상들은 전 세계 물리학 실험실에서 전자 모델을 염두에 두고 연구되어 왔다.

1902년 필립 레너드는 이러한 분출된 전자의 에너지가 들어오는 빛의 강도에 따라 달라지는 것이 아니라 그 주파수에 따라 달라진다는 것을 발견했다. 그래서 만약 어떤 사람이 금속 위에 약간의 저주파 빛을 비춘다면, 몇 개의 낮은 에너지 전자가 배출된다. 만약 어떤 사람이 지금 같은 금속 위에 매우 강한 저주파 광선을 비추면, 전자의 한 뭉치가 모두 배출된다. 그러나 그것들은 같은 낮은 에너지를 가지고 있지만, 그것들은 단지 더 많을 뿐이다. 빛이 많을수록 전자는 더 많이 배출된다. 반면 높은 에너지 전자를 얻기 위해서는 고주파 빛으로 금속을 밝혀야 한다. 흑체 방사선처럼, 이것은 방사선과 물질 사이의 지속적인 에너지 전달을 촉발하는 이론과 대립했다. 그러나, 물질이 자연에서 양자역학적으로 존재하는 한, 그것은 여전히 빛에 대한 완전한 고전적인 설명을 사용하여 설명할 수 있다.

만약 어떤 사람이 플랑크의 에너지 퀀텀을 사용했고, 주어진 주파수에서의 전자기 방사선이 에너지 양자 hf의 정수 배수로만 에너지를 물질로 전달할 수 있다고 요구한다면, 광전 효과는 매우 간단하게 설명될 수 있을 것이다. 저주파 빛은 각각의 전자가 단일 광자의 흡수에 의해 흥분되기 때문에 저에너지 전자를 방출할 뿐이다. 저주파 빛의 세기를 증가시키는 것(광자 수를 증가시키는 것)은 각 광자의 에너지가 낮게 유지되기 때문에 에너지가 아니라 흥분된 전자의 수만을 증가시킬 뿐이다. 빛의 주파수를 높이고, 따라서 광자의 에너지를 증가시킴으로써만 더 높은 에너지로 전자를 방출할 수 있다. 그러므로 플랑크의 상수 h를 사용하여 주파수에 기초하여 광자의 에너지를 결정하는데, 방출된 전자의 에너지 또한 주파수에 따라 선형적으로 증가해야 하며, 이는 플랑크의 상수인 선의 구배와 같아야 한다. 이러한 결과는 1915년 로버트 앤드루스 밀리칸이 아인슈타인의 예측에 완벽하게 부합하는 실험적인 결과를 만들어냈을 때까지 확인되지 않았다.

분출된 전자의 에너지가 플랑크의 상수를 반영했지만, 광자의 존재는 학부 수준의 실험실에서 현대적인 실험을 할 수 있는 광자 항균 효과가 발견되기 전까지는 명시적으로 증명되지 않았다. 이 현상은 광자를 통해서만 설명할 수 있었다. 아인슈타인의 "빛 퀀타"는 1925년까지는 광자라고 불리지 않을 것이지만, 1905년조차도 그것들은 파동 입자 이중성의 전형적인 예를 나타내었다. 전자파 복사는 선형파 방정식을 따라 전파되지만 이산 원소로만 방출되거나 흡수될 수 있어 파동과 입자의 역할을 동시에 한다.