양자는 파동이면서 입자다
전자나 빛 알갱이 하나는 아무도 안 볼 때는 넓게 퍼진 파동처럼 행동하지만, 검출되는 순간에는 한 점에 톡 찍히는 입자가 돼요. 이 두 얼굴을 한 화면에서 보여주는 것이 이중 슬릿 실험이에요. 첫 위젯에서 입자가 한 번에 하나씩 도착해 점으로 쌓이는데, 그 점들이 모이면 밝고 어두운 줄무늬가 생기는 걸 직접 봐요.
점 하나하나는 입자가 한 자리에 도착한 흔적이지만, 쌓인 무늬 전체는 파동의 간섭이에요. 슬릿 간격 d를 줄이면 줄무늬 간격이 넓어지는데, 이는 Δy = λL/d 관계 때문이에요. 여기서 λ는 드 브로이 파장 λ = h/p로, 파동의 마루에서 다음 마루까지의 거리(파장)이고, 파수는 k = 2π/λ예요. 놀라운 점은 입자를 한 번에 하나씩 아무리 띄엄띄엄 보내도 똑같은 줄무늬가 쌓인다는 것이라, 각 입자가 다른 입자가 아니라 자기 자신과 간섭한다는 뜻이에요. fire 버튼을 누를 때마다 간섭 세기를 따라 점이 한 무더기씩 쌓여요.
슬릿이 하나뿐이어도 파동의 본성은 사라지지 않아요. 빛이나 전자가 좁은 틈을 지나면 넓은 중앙 띠 하나로 퍼지는데, 그 모양이 sinc² 포락선이에요. 틈을 좁힐수록 퍼짐은 오히려 더 넓어져요. 틈을 좁힐수록 더 넓게 퍼지는 이 맞바꿈은 위치를 좁히면 운동량이 흐려지는 불확정성 원리의 한 모습이고, 모든 렌즈와 현미경의 해상도를 제한하는 회절 한계이기도 해요. 슬릿 폭 슬라이더를 움직여 좁은 틈이 더 넓게 퍼지는 걸 확인해 봐요.
어느 슬릿으로 지나갔는지 알아내려고 경로 검출기를 켜면 어떻게 될까요. 검출기를 끄면 줄무늬가 살아 있어 파동처럼 보이고, 켜면 줄무늬가 사라지고 두 개의 밋밋한 띠만 남아요. 핵심은 검출기가 입자를 거칠게 밀쳐서가 아니라 어느 경로인지 알 수 있게 되는 것 자체가 간섭을 지운다는 점이고, 그 경로 정보를 나중에 다시 지우면 줄무늬가 되살아난다는 것도 실험으로 확인됐어요. 토글을 ON/OFF로 바꿔 가며 관측 행위 자체가 간섭을 지워버린다는 걸 직접 느껴 봐요.
검출되기 전 입자는 한 점이 아니라 좁게 뭉친 파동 덩어리, 즉 파속으로 여행해요. 시간이 흐르고 거리가 멀어질수록 이 덩어리는 점점 옆으로 퍼지고 높이는 낮아져요. 덩어리가 퍼지는 까닭은 그 안에 든 여러 파장 성분이 저마다 조금씩 다른 속도로 나아가기 때문이고, 그래서 자유 입자의 위치는 시간이 지날수록 점점 더 불확실해져요. 전파 거리 슬라이더를 키워 파속이 어떻게 넓어지며 흐려지는지 봐요.
두 얼굴은 같은 양자의 서로 보완하는 그림이에요. 토글을 파동 쪽으로 두면 매끄러운 파동이 보이고, 입자 쪽으로 두면 운동량 화살을 단 점 하나로 바뀌어요. 두 그림 모두 필요하지만 결코 한 번에 함께 나타나지는 않아요. 이것이 상보성이에요. 어느 얼굴이 드러나는지는 대상 자체가 아니라 우리가 어떤 실험을 고르는지에 달려 있다는 이 생각을 닐스 보어는 상보성 원리로 정리했어요. 토글을 오가며 같은 대상의 두 측면을 번갈아 봐요.