Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

입자와 파동: 양자역학의 미스터리 - 차드 오르젤

번역: Sungmin OH 검토: Jeong-Lan Kinser

One of the most amazing facts in physics is this:

물리학에서 가장 놀라운 사실 중 하나는 바로

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

우주의 모든 것, 빛부터 전자, 원자까지

behaves like both a particle and a wave at the same time.

동시에 입자와 파동처럼 행동한다는 것입니다.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

양자물리학에 대해 들어보았을 기이한 것들,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

슈뢰딩거의 고양이, 신의 주사위 놀이,

원거리 유령작용, 이들은 모두

all of it follows directly from the fact

모든 것은 입자와 파동의 성질을 함께 갖고 있다는 사실로부터 나온 결론이죠.

that everything has both particle and wave nature.

This might sound crazy.

미친 소리 같을 수도 있죠.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

물의 파동과 돌의 입자를 보면

and they're nothing alike.

그 둘은 닮은 구석이 없습니다.

So why would you think to combine them?

왜 두 가지를 함께 생각해야 할까요?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

물리학자들이 난데없이 이들을 함께 으깨기로 결정했던 것은 아닙니다.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

오히려 조금씩 단계적인 과정을 거쳐

through a process of small steps,

우주의 이원적 본질에 도달한 것입니다.

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

여러 개의 증거 조각들을 퍼즐처럼 맞춘 것이죠.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

가장 먼저 빛의 이원적 본질을 진지하게 제시한 사람은

was Albert Einstein in 1905,

알버트 아인슈타인으로, 1905년에 일어난 일이었습니다.

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

하지만 그의 아이디어는 막스 플랑크로부터 가져온 것이죠.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

플랑크는 전구 속 필라멘트와 같이

like the filament in a light bulb,

뜨거운 물체가 방사하는 빛의 색깔을

but to do it, he needed a desperate trick:

다음과 같은 방법으로 설명했습니다.

he said the object was made up of oscillators

물체는 진동자로 이루어져있고

that could only emit light in discrete chunks,

빛의 진동수에 따른 에너지 단위인 불연속적인 덩어리의 형태로만

units of energy that depend on the frequency of the light.

빛을 방사할 수 있다는 것입니다.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

플랭크는 자신의 설명이 마음에 안 들었지만 아인슈타인은 그 설명 조각을 택했죠.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

플랑크의 아이디어를 빛 그 자체에 적용했습니다.

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

빛은 파동이 아닌 광자의 연속이고 [광자=빛의 알갱이]

each with a discrete amount of energy.

각 광자는 띄엄띄엄한 에너지량이라는 것입니다.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

아인슈타인은 이를 자신이 이루어낸 유일한 혁신적인 것으로 여겼지만

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

이는 금속의 표면에 빛을 비추었을 때 전자가 방출된다는 것을 설명합니다.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

이런 발상을 싫어하는 사람들조차 훌륭하다고 인정한 발상이었죠.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

다음 퍼즐 조각은 영국의 어니스트 러더퍼드로부터 나왔습니다.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

1909년 어니스트 러더퍼드와 그를 위해 일하던 한스 가이거는

shot alpha particles at gold atoms

알파 입자를 금 원소와 충돌시켰을 때 [알파 입자=중성자 2개+양성자 2개]

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

일부 입자가 반대로 튕겨나온다는 사실에 놀랐습니다.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

이는 원자의 질량 대부분이 아주 작은 핵에 모여있다는 것을 보여줍니다.

The cartoon atom you learn in grade school,

초등학교에서 배웠던 원자 그림,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

태양계처럼 회전하는 전자들이

that's Rutherford's.

바로 러더퍼드의 원자 모형입니다.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

러더퍼드의 원자에는 작은 문제가 하나 있었습니다.

실제로 적용할 수가 없다는 것이죠.

Classical physics tells us that an electron

고전물리학에서는 전자는

whipping around in a circle emits light,

원모양으로 회전하며 빛을 방출한다고 이야기합니다.

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

우리가 라디오 전파나 엑스레이를 발생시킬 때 사용하죠.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

러더퍼드의 원자대로라면 엑스레이는 순식간에 모든 방향으로 퍼져나갑니다.

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

그 후 원자는 나선을 그리면서 핵에 충돌합니다.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

하지만 러더퍼드와 일하고 있었던 덴마크의 이론 물리학자 닐스 보어는

pointed out that atoms obviously exist,

원자는 명백하게 존재하기 때문에

so maybe the rules of physics needed to change.

물리법칙을 달리 적용해야 할 것이라고 지적하였습니다.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

보어는 전자가 특정한 궤도를 따르지만

doesn't emit any light at all.

어떠한 빛도 방출하지 않는다고 제시하였습니다.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

원자가 궤도를 변경할 때만 빛을 흡수하고 방출한다는 것이죠.

and the frequency of the light depends on the energy difference

빛의 진동수는 에너지 차이에 의해 결정된다고 하였습니다.

in just the way Planck and Einstein introduced.

플랑크와 아이슈타인이 제안했던 방식이지요.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

보어의 원자모형은 러더퍼드 모형의 문제점을 보완했습니다.

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

또한 원자가 왜 특정한 색깔의 빛만 방출하는 지도 설명할 수 있었습니다.

Each element has its own special orbits,

각 원자가 독특한 자신만의 궤도를 갖고 있어서

and thus its own unique set of frequencies.

고유의 진동수 집합을 갖고 있기 때문이죠.

The Bohr model has one tiny problem:

보어 모형은 한가지 작은 오류가 있었습니다.

there's no reason for those orbits to be special.

독특한 궤도의 이유를 설명하지 못한 것이죠.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

하지만 프랑스 박사과정 학생 루이 드 브로이가

brought everything full circle.

모든 것을 설명할 방법을 찾았습니다.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

그는 모두 파동이라고 알았던 빛이

behaves like a particle,

입자처럼 행동한다면

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

다들 입자라고 알고 있는 전자가

behaves like a wave.

어쩌면 파동처럼 행동할 것이라 이야기 했습니다.

And if electrons are waves,

만일 전자가 파동이라면,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

보어의 특별한 궤도 규칙은 설명하기 쉬워집니다.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

전자가 파동처럼 행동한다는 발상을 한번 하게 되면

you can go look for it.

직접 확인해 볼 수 있습니다.

And within a few years, scientists in the US and UK

몇 년 지나지 않아 미국 및 영국의 과학자들은

had observed wave behavior from electrons.

전자로부터 파동과 같은 행동을 관찰하였습니다.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

오늘날 우리는 아주 명확하게 이를 시연해 낼 수 있습니다.

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

좁고 기다란 틈이 있는 장애물에 전자를 하나씩 쏘는 방법입니다.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

그러면 각 전자는 특정 시간 특정 위치에서 검출됩니다.

like a particle.

마치 입자처럼요.

But when you repeat the experiment many times,

만일 실험을 충분히 반복한다면,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

모든 각 전자는 줄 형태의 윤곽을 그리게 되는데

characteristic of wave behavior.

이는 파동의 성질입니다.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

입자의 파동과 같은 행동, 그리고 파동의 입자와 같은 행동은

is one of the strangest and most powerful in physics.

물리학에서 가장 이상하고도 강력한 발상입니다.

Richard Feynman famously said

잘 알려진 것처럼, 리차드 파인만은 이 발상이

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

양자역학의 가장 주된 미스테리를 보여준다고 말했습니다.

Everything else follows from this,

다른 모든 것들이 그 발상으로부터 나왔습니다.

like pieces of a puzzle falling into place.

마치 딱 맞아 떨어지는 퍼즐의 조각들처럼요.