기초과학

중국해양대학, 파동-입자 이중성 및 상보성 원리에 대한 이해 추진

발행일 : 2019 / 07 / 26

최근, 중국해양대학 구융젠(顧永建) “해양 양자 기술” 연구팀은 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 경로 측정을 도입할 경우 데이비드 봄(David Bohm)의 양자이론에 효과적인 방법을 제공함으로써 실험적으로 광자의 “궤적”을 검증할 수 있음을 발견했다. 해당 발견은 양자역학 기본 문제 연구에 중요한 역할을 일으킴과 아울러 파동-입자 이중성 및 상보성 원리에 대한 이해에 도움이 된다. 해당 연구성과는 “Science” 자매지인 “Science Advances”에 게재됐다.

물리학의 고전적 실험인 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 광자 경로 측정으로 해당 광자가 구체적으로 어느 슬릿을 통과하는 지를 식별할 경우 필연적으로 간섭무늬 가시성을 파괴시킨다. 해당 측정 과정에서 간섭무늬 가시성과 광자의 운동량 변화 사이의 관계에 대한 학술계의 관점은 다양하다. 그 주요 원인은 다양한 운동량 변화량 정의를 사용했기 때문이다. 해당 문제를 심층적으로 연구하려면 더욱 보편적인 방법을 찾아 광자의 운동량 변화를 정량화해야 한다. 데이비드 봄의 양자역학은 해당 문제를 해결하는 효과적인 방법을 제공한다. 데이비드 봄의 양자이론에 의하면 입자는 임의적 시각(Time)에 모두 명확한 위치 및 운동량을 보유하고 있으며 또한 한 가닥의 확정된 궤도에 따라 진화된다고 주장한다. 따라서 입자의 초기 상태가 운동량의 고유 상태가 아닌 상황에서도 입자의 운동량 변화량을 계산할 수 있다. 또한 광자의 평균 궤적을 실험적 약한 측정(Weak measurement) 방법으로 재구성할 수 있다.

데이비드 봄의 양자이론을 기반으로 하고 약한 측정 기술을 이용해 샤오야(肖芽) 연구팀은 전단계에 토머스 영의 이중 슬릿 간섭 장치에서 광자 궤적의 비국소성 영역 유도[Optics Express 25, 14463-14472(2017)]를 달성했다. 해당 논문에서 광자의 궤적을 8.6m 밖으로 심층적으로 재구성했다. 다음으로 오스트레일리아 Howard M. Wiseman가 제안한 데이비드 봄의 운동량 확률 분포를 이용해 경로 탐측 과정 중 양자의 운동량 변화량을 정량화했다. 경로가 있는 조건과 없는 조건에서 측정한 광자 운동량의 비교를 통해 연구팀은 광자의 총운동량 변화량 절댓값은 근거리장에서 매우 작지만 전파 거리의 증가에 따라 증가됨을 관측했는데 이는 운동량의 비국소성 영역에서 누적 과정을 의미한다. 원거리장 조건에서 연구팀은 광자 운동량 변화량 절댓값과 간섭무늬 가시성 사이의 정량화 관계를 심층적으로 입증했다. 실험 결과는 운동량 변화량의 증가에 따라 간섭무늬 가시성은 감소됨을 의미한다.