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이 그림은 Wave(파동)와 Particle(입자)을 교묘하게 합성하여 Wave나 Particle 중 하나만 볼 수 있게 만들었다. 빛은 파동-입자 이중성을 지니지만, 동시에 두 가지 속성을 관찰할 수는 없다는 점을 착시를 통해 표현한 것이다.
1 개요
프랑스의 이론물리학자인 루이 드 브로이가 제창한 이론.
1차 세계대전 중 물리학의 기술적 문제를 연구하고, 대전 후에 물리학자였던 형[1]의 연구로 자극을 받아 연구를 시작했다.
1923년 물질파의 개념에 도달하고, 다음해에 '양자론의 연구'라는 논문으로 학계의 주목을 받았다. 당시 그는 박사과정 학생이었다고 한다.
그 내용을 요약하자면 모든 입자는 자신의 운동량에 반비례하는 파장을 지닌 파동이라는 것으로, 쉽게 말해 물질=파동이라는 것이다. 지금 들어도 황당한 이론인데 그 때야 오죽했겠는가. 다만 이 '물질이 갖는 파동으로서의 성질'의 의미는 아직 해석이 완료되지 않은 상태이며, 제일 유명한 코펜하겐 해석에선 그 파동은 사실 '그 점에서의 물질의 발견 확률'을 나타낸다고 설명하는 정도이다. (여기서 주의 할 점은 '존재 확률' 이 아니라 '발견 확률' 이라는 점이다. 존재 확률이라는 단어는 "입자 등이 존재하지 않을 수도 있다" 는 의미를 내포하기 때문에 발견 확률이라고 하는 것이 정확하다. 영의 이중슬릿 실험에서 볼 수 있듯이 광자는 슬릿 두 곳에 동시에 존재하고 있다.)
알베르트 아인슈타인의 광전 효과 실험에서 빛이 입자의 성질을 지닌다는 것이 증명되었기에 이 개념을 역으로 생각하여 "입자도 파동의 성질을 지닐 수 있지 않을까?"라는 가정 하에 출발하였다. 이 이론 덕분에 빛의 이중성뿐만이 아니라 물질의 이중성 역시 인정받기 시작했으며, 양자 역학의 발전에서도 중요한 역할을 담당했다.
1927년 데이비슨과 거머가 니켈의 결정을 이용해 행한 전자 선속의 회절 실험으로 전자에 의해 생성된 간섭 무늬 관찰을 통해 실험적으로 증명되었다.
드 브로이는 1929년 파동역학의 연구에 대한 업적으로 노벨 물리학상을 받았다. 그런데 이 논문은 파리대 박사 학위통과를 위한 학위 청구 논문이었다. 하지만 그 당시에는 내용이 매우 파격적이었고 분량도 매우 짧아서 심사위원들에게 좋지 않은 평가를 받았다. 그러나 고귀한 공작 가문 출신[2]의 논문을 퇴짜놓기 싫었던 심사위원들은 이 논문에 대해 알베르트 아인슈타인에게 조언을 구했다고 한다. 다행히 아인슈타인은 물질파 이론을 '물리학의 커다란 베일을 걷어냈다' 높이 평가했다고 한다. 이 답장을 받은 심사위원들은 "OK, 누가 뭐라고 하면 아인슈타인이 지지했다고 하면 되겠네. 통과시키자." 라며 논문을 통과시켰다고 한다. 즉, 이 인간은 박사도 따기 전에 노벨상을 받은 논문을 쓴 것이다.
"만물(=에너지)은 입자임과 동시에 파동이기 때문에, 입자를 보고자 한다면 입자를 볼 것이요, 파동을 보고자 한다면 파동을 볼 것이다."...로 요약될 수 있다. 일체유심조 시대를 앞서간 과학자 석가모니
입자적 성질을 관찰하면 입자의 성질을 찾을 수 있고, 파동적 성질을 관찰하면 파동적 성질이 관찰된다. 예를 들어 전자 하나의 운동량을 측정하면 입자처럼 나오고(톰슨의 실험), 전자의 회절을 측정하면 파동처럼 나온다(영의 이중슬릿 실험을 전자를 갖고 수행했을 때). 마찬가지로 빛(=에너지=물질) 역시 회절을 하지만 입자의 성질인 광전효과를 보인다.
하지만 거시 세계에서 보이는 물체들은 모두 입자보다 '극한적으로' 큰 질량을 가지고 있기 때문에 운동량이 입자 차원에 비해 극한적으로 클 수밖에 없다. 따라서 드 브로이의 식에 의하면 파장과 주기가 0에 수렴하게 되어 파동의 성질이 사실상 나타날 수가 없다. 우리가 거시 세계에서 파동의 성질을 확인할 수 없는 이유는 이 때문이다. 이 얘기를 좀더 발전시키면, 양자역학의 거시적인 극한이 바로 고전역학이라는 결론이 나온다.
단, 두 성질을 동시에 관찰하는 것은 불가능하다. 입자적 성질을 보고자 하면 파동적 성질을 볼 수 없으며, 파동적 성질을 보고자 하면 입자적 성질을 볼 수 없다.[3]
7차 교육과정 현재 물리Ⅰ 끝자락에도 등장하는 이론이나 대부분의 학생과 학원강사들은 공식을 외우기에 급급한 나머지 이 이론의 괴력은 전혀라 할 정도로 모르고 지나간다. 다만 학생들이 체험할 수 있는 괴력은, 물질파 이론에선 파장이 속력에 반비례한다는 것.[4]
하지만 2009 개정 교육과정에서는 물질파 내용이 물리Ⅰ에서 깔끔하게 사라졌다. 그래봐야 상대성이론이 있잖아
그런데 그러다가 대학 가서 양자역학이나 현대물리 파트를 접하게 되면 이제 이것이 어떤 의미를 가지는지 알게된다. 그냥 간단히 말하면, 물질파 이론이 있기에 양자역학이 기술될 수 있다. 즉, 구체적인 식으로 표현할 수 있게 된다. 파장을 알 수 있으니 그 파장을 가진 가장 단순한 평면파에서 시작해서 1차원을 3차원으로 확장하는 등, 양자역학의 시작은 바로 여기서 시작한다. 그런점에서 보면 고교과정에서 물질파 이론에서 교육과정이 끝나는건 어찌보면 적절한 절단신공일지도 모르겠다.
여기에는 정말 많은 정보가 들어가 있는데, 예를 들어, 파장의 단위는 길이고 양변에 운동량(질량x속도)의 단위를 곱하면 에너지의 차원이 나오는 것을 알 수 있다. 그 외에도 물질파 이론에서 평면파를 가정했을때 그 파동함수가 나타내는 좌표와 운동량의 표준편차의 곱에서 불확정성 원리가 도출되는 것 또한 물질파 이론에서 출발한다.
2 미디어에서의 물질파 이론
양자역학 자체는 서브컬쳐에서 배경설정요소로 자주 쓰이는 편이지만 정작 양자역학의 기초가 되는 물질파 가설은 직접 언급되는 경우가 드물다. (...)