아인슈타인은 틀렸다: MIT가 100년간의 양자 논쟁을 종결했다

MIT 실험 개요: 진공 챔버에 떠 있는 두 개의 단일 원자에 레이저 빔을 비추어 두 개의 슬릿처럼 작용합니다. 산란된 빛의 간섭은 스크린으로 묘사된 고감도 카메라로 기록됩니다. 비간섭성 빛은 배경으로 나타나며, 이는 광자가 하나의 슬릿만 통과하는 입자처럼 작용했음을 의미합니다. 출처: 연구진 제공

MIT 물리학자들은 양자 물리학에서 가장 유명한 실험 중 하나를 이상화하여 수행했습니다. 그들의 연구 결과는 원자 수준의 정밀도로 빛의 이중적이면서도 회피 가능한 속성을 보여줍니다. 또한 알베르트 아인슈타인이 이 특정 양자 시나리오에 대해 틀렸다는 것을 확인시켜 주었습니다.

문제의 실험은 이중 슬릿 실험으로, 1801년 영국 학자 토머스 영이 빛의 파동성을 보여주기 위해 처음 수행했습니다. 오늘날 양자역학의 발전과 함께 이중 슬릿 실험은 빛이 입자이자 파동이라는, 이해하기 어려운 현실을 놀랍도록 간단하게 증명한 것으로 유명합니다. 더 이상한 것은, 이러한 이중성은 동시에 관찰될 수 없다는 것입니다. 입자의 형태로 빛을 보면 파동이라는 본질이 즉시 가려지고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

원래 실험은 스크린에 있는 두 개의 평행한 슬릿을 통해 광선을 비추고 멀리 있는 두 번째 스크린에 형성되는 패턴을 관찰하는 것이었습니다. 두 개의 겹치는 빛점이 보일 것으로 예상했는데, 이는 빛이 직선 경로를 따라 움직이는 페인트볼처럼 입자, 즉 광자 형태로 존재한다는 것을 암시합니다. 하지만 빛은 스크린에 밝고 어두운 줄무늬를 번갈아 생성하는데, 이는 연못의 두 물결이 만날 때 나타나는 간섭 무늬와 유사합니다. 이는 빛이 파동처럼 행동한다는 것을 시사합니다. 더 이상한 점은, 빛이 어느 슬릿을 통과하는지 측정하려고 하면 갑자기 입자처럼 행동하고 간섭 무늬가 사라진다는 것입니다.

이중 슬릿 실험은 오늘날 대부분의 고등학교 물리학 수업에서 양자 역학의 기본 원리를 설명하는 간단한 방법으로 가르쳐집니다. 즉, 빛을 포함한 모든 물리적 물체는 동시에 입자이자 파동이라는 것입니다.

거의 한 세기 전, 이 실험은 물리학자 알베르트 아인슈타인과 닐스 보어 사이의 우호적인 논쟁의 중심에 있었습니다. 1927년, 아인슈타인은 광자 입자가 두 개의 슬릿 중 하나만 통과하면서 그 슬릿에 약간의 힘을 발생시켜야 한다고 주장했습니다. 마치 새가 날아가면서 나뭇잎을 스치는 것처럼 말입니다. 그는 간섭 무늬를 관찰하는 동시에 이러한 힘을 감지할 수 있다고 제안했습니다. 이를 통해 빛의 입자성과 파동성을 동시에 포착할 수 있다고 주장했습니다. 이에 보어는 양자역학적 불확정성 원리를 적용하여 광자의 경로를 감지하면 간섭 무늬가 사라진다는 것을 보였습니다.

그 이후 과학자들은 이중 슬릿 실험을 여러 버전으로 수행했고, 모두 보어가 제시한 양자 이론의 타당성을 다양한 정도로 확인했습니다. 이제 MIT 물리학자들은 지금까지 가장 "이상화된" 이중 슬릿 실험을 수행했습니다. 이 버전은 실험을 양자적 본질로 축소했습니다. 그들은 개별 원자를 슬릿으로 사용하고, 약한 광선을 사용하여 각 원자가 최대 하나의 광자만 산란하도록 했습니다. 서로 다른 양자 상태에 있는 원자를 준비함으로써, 원자가 광자의 경로에 대해 얻는 정보를 수정할 수 있었습니다. 이로써 연구진은 양자 이론의 예측을 확인했습니다. 빛의 경로(즉, 입자의 본질)에 대한 정보가 많을수록 간섭 무늬의 가시성은 낮아졌습니다.

그들은 아인슈타인이 틀렸던 점을 증명했습니다. 원자가 지나가는 광자에 의해 "흔들릴" 때마다 파동의 간섭이 약해진다는 것입니다.

"아인슈타인과 보어는 단일 원자와 단일 광자로 이런 실험을 할 수 있다고는 상상도 못했을 겁니다." 존 D. 맥아더 물리학 교수이자 MIT 팀 리더인 볼프강 케털레의 말이다. "우리가 해낸 것은 이상적인 게단켄 실험입니다."

이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다 . Ketterle의 MIT 공동 저자로는 제1저자인 Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee, Jiahao Lyu가 있으며, 이들은 모두 MIT 물리학과, 전자공학 연구실, 그리고 MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms에 소속되어 있습니다.

저온 감금

MIT의 케터리 연구팀은 원자와 분자를 절대 영도 바로 위 온도로 과냉각하여 레이저 빛으로 가두는 구조를 만드는 실험을 진행하고 있습니다. 이처럼 초저온으로 정밀하게 조정된 구름 속에서는 양자적, 단일 원자 수준에서만 발생하는 특이한 현상이 나타날 수 있습니다.

최근 실험에서 연구팀은 겉보기에 관련성이 없어 보이는 문제를 조사하고 있었습니다. 빛의 산란을 통해 초저온 원자로 만들어진 재료의 특성을 어떻게 알아낼 수 있는지 연구한 것입니다.

"우리는 이 산란 과정이 입자와 파동 중 어느 정도에 가까운지 정량화할 수 있다는 걸 깨달았고, 이 새로운 방법을 적용해 이 유명한 실험을 매우 이상적인 방식으로 실현할 수 있다는 걸 금방 깨달았습니다."라고 페도세프는 말합니다.

새로운 연구에서 연구팀은 1만 개가 넘는 원자를 마이크로켈빈 온도까지 냉각시켰습니다. 레이저 빔 배열을 사용하여 동결된 원자들을 균일한 간격의 결정과 같은 격자 구조로 배열했습니다. 이러한 배열에서 각 원자는 다른 원자와 충분히 떨어져 있어 사실상 하나의 고립된 동일한 원자로 간주될 수 있습니다. 그리고 이러한 원자 1만 개는 하나 또는 두 개의 원자보다 더 쉽게 감지되는 신호를 생성할 수 있습니다.

연구팀은 이러한 배열을 통해 원자에 약한 광선을 비추면 단일 광자가 두 개의 인접한 원자에서 파동이나 입자 형태로 어떻게 산란되는지 관찰할 수 있을 것이라고 생각했습니다. 이는 원래의 이중 슬릿 실험에서 빛이 두 개의 슬릿을 통과하는 방식과 유사할 것입니다.

"우리가 한 일은 이중 슬릿 실험의 새로운 변형으로 볼 수 있습니다."라고 케터리는 말한다. "이 단일 원자는 우리가 만들 수 있는 가장 작은 슬릿과 같습니다."

튜닝 퍼즈

단일 광자 수준에서 연구하려면 실험을 여러 번 반복하고 초고감도 검출기를 사용하여 원자에서 산란되는 빛의 패턴을 기록해야 했습니다. 연구진은 검출된 빛의 세기를 통해 빛이 입자인지 파동인지 직접 추론할 수 있었습니다.

그들은 특히 자신들이 보낸 광자의 절반은 파동으로, 나머지 절반은 입자로 행동하는 상황에 관심을 가졌습니다. 그들은 광자가 입자로 보일 확률과 파동으로 보일 확률을 조절하는 방법을 사용하여 이를 달성했습니다. 이는 원자의 "퍼지니스(fuzziness)", 즉 위치의 확실성을 조절함으로써 가능했습니다. 그들의 실험에서 1만 개의 원자 각각은 레이저 빛으로 고정되었으며, 이 빛은 빛의 고정력을 강화하거나 완화하도록 조절될 수 있습니다. 원자가 더 느슨하게 고정될수록 더 퍼지니스하게, 즉 더 "공간적으로" 확장된 것처럼 보입니다. 퍼지니스가 높은 원자는 더 쉽게 흔들리고 광자의 경로를 기록합니다. 따라서 연구자들은 원자의 퍼지니스를 조절함으로써 광자가 입자와 같은 행동을 보일 확률을 높일 수 있습니다. 그들의 관찰 결과는 이론적 설명과 완전히 일치했습니다.

봄이 멀어지다

연구팀은 실험을 통해 아인슈타인의 광자 경로 감지 아이디어를 검증했습니다. 개념적으로, 각 슬릿을 스프링으로 공중에 매달린 매우 얇은 종이처럼 잘랐다고 가정해 보겠습니다. 한 슬릿을 통과하는 광자는 해당 스프링을 일정 정도 흔들어야 하는데, 이는 광자의 입자성을 나타내는 신호가 됩니다. 이전 이중 슬릿 실험에서 물리학자들은 이러한 스프링과 유사한 요소를 도입했으며, 스프링은 광자의 이중적 특성을 설명하는 데 중요한 역할을 했습니다.

하지만 케털리와 그의 동료들은 흔히 말하는 스프링 없이도 실험을 수행할 수 있었습니다. 연구팀의 원자 구름은 처음에는 레이저 빛에 의해 고정되는데, 이는 아인슈타인이 스프링에 의해 매달린 슬릿을 상상했던 것과 유사합니다. 연구진은 만약 "스프링"을 제거하고 정확히 같은 현상을 관찰한다면, 스프링이 광자의 파동/입자 이중성에 아무런 영향을 미치지 않는다는 것을 보여줄 것이라고 생각했습니다.

그들이 발견한 것도 바로 이것이었습니다. 여러 차례의 실험에 걸쳐, 그들은 원자를 고정하는 스프링 같은 레이저를 끄고, 원자가 더 흐릿해지다가 결국 중력에 의해 떨어지기 전까지 백만분의 1초 만에 빠르게 측정을 수행했습니다. 이 짧은 시간 동안 원자는 사실상 자유 공간에 떠 있었습니다. 스프링이 없는 이 상황에서 연구팀은 같은 현상을 관찰했습니다. 광자의 파동성과 입자성을 동시에 관찰할 수 없다는 것입니다.

"많은 설명에서 용수철이 중요한 역할을 합니다. 하지만 여기서는 용수철이 중요하지 않다는 것을 보여드리겠습니다. 중요한 것은 원자의 흐릿함뿐입니다."라고 페도세프는 말합니다. "따라서 광자와 원자 사이의 양자 상관관계를 사용하는 더욱 심오한 설명이 필요합니다."

연구진은 유엔이 2025년을 양자역학이 공식화된 지 100주년을 기념하는 세계 양자 과학 기술의 해로 선포했다는 점에 주목합니다. 보어와 아인슈타인이 이중 슬릿 실험에 대해 논의한 것은 그로부터 불과 2년 후였습니다.

공동 저자인 이는 "양자 물리학을 기념하는 바로 그 해에 이 역사적 논란을 해결하는 데 도움을 줄 수 있다는 것은 놀라운 우연입니다."라고 말했습니다.

이 연구는 미국 국립과학재단, 미국 국방부, 고든 앤 베티 무어 재단의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250729044705.htm