광자는 파동이 아니라 입자다

원문: Quantum Mechanics and Dhamma 섹션의 ‘Photons Are Particles Not Waves’ 포스트

- 2018년 3월 13일 작성; 2022년 8월 29일 개정

요약: 광자는 항상 입자입니다. 그것들은 입자로 이동하고 입자로 검출됩니다. 그러나 이동하는 중에 광자의 위치는 (하이젠베르크의 불확정성 원리로 인해) 한 점으로 고정될 수 없습니다. ‘파동은 무엇이고 입자는 무엇인가?’  포스트를 참조하세요. 어떤 시점에 광자의 가능한 위치(그리고 각 위치에서 검출 확률)만 광자를 나타내는 파동 함수에 의해 제공됩니다. 파동과 파동 함수의 차이는 이전 포스트에서 논의했습니다.

1-1. 이 포스트가 많은 사람들에게는 너무 고급 [전문적] 수준일 수 있다는 것을 여러분에게 일러두어야 겠습니다. 그러나 이것은 우리가 이 섹션에서 다룰 ‘가장 깊은 수준’의 일종이며, 최소한 기본 개념을 이해할 수 있다면, 향후 포스트를 따라갈 수 있을 것입니다. 필자가 표현하고자 하는 기본 아이디어는 빛이 광자(photon)라고 불리는 입자로 구성되어 있다는 것입니다.

• * 파동-입자 이중성에서 ‘파동’이 의미하는 것은 모호하고, 사람들은 그 용어를 다르게 해석합니다. 그러므로, ‘파동-입자’ 이중성에서 ‘파동’이 의미하는 것을 해결하는 것이 도움이 됩니다. 그것은 물결과 같은 ‘실제 파동’일까요, 아니면 수학적 함수일까요?

• * 아래에 있는 바와 같이, 광자는 입자이며, ‘파동’이라는 낱말을 빛을 묘사하는 데 사용해서는 안된다는 것이 확인되었습니다. 그러나, 광자의 운동은 파동 함수로 나타낼 수 있으며, 파동함수는 수학적 표현입니다.

1-2. 예를 들어, “..단일 입자의 위치가 공간에 퍼져있다..”라는 말이 자주 나옵니다. 이것은 오도하는 진술이며, 결코 사용해서는 안 됩니다. 입자는 항상 국지적인 위치를 차지하는데, 퍼져 있는 것은 파동 함수이며, 주어진 시점에 입자가 있을 수 있는 위치를 나타냅니다. 위의 요약 설명을 참조하세요.

• * 전자이든 광자이든 입자는 검출기에서 단일 검출 사건으로 검출됩니다. (낮은 강도로 감소된) 빛이 검출기에서 검출될 때, 그 광자는 ‘단일 클릭(single click)’으로 표시(기록)됩니다.

• * 그러므로, 우리는 빛을 ‘파동’으로 보는 개념을 버려야 합니다. 빛은 광자로 구성되며, 각 광자는 수학적 개념인 ‘파동 함수’로 나타낼 수 있습니다. ‘파동’에 대한 이 오래도록 남아 있고 잘못된 생각은 양자역학에서 통일된 이론을 갖는 데 주된 장애물입니다.

1-3. 뉴턴은 빛이 입자로 구성되어 있다고 믿었습니다. 뉴턴의 빛에 대한 입자 이론은 빛의 간섭과 회절 효과를 설명할 수 없다는 이유로 폐기된 1850년경까지 지배적이었습니다. 그 이후로 빛은 한동안 파동으로 여겨졌습니다.

• * 그러나 1900년경부터 그 파동 그림(이론)은 광전 효과(photoelectric effect), 흑체 복사(black-body radiation), 및 콤프턴 산란(Compton scatterig)을 포함한 많은 새로운 실험 관찰을 설명할 수 없었습니다. 아인슈타인은 광전 효과를 설명하기 위해 빛은 양자화되어 있다고 제안했으며(참고 문헌 3의 ‘Einstein, 1905년’ 참조), 이 공로로 1921년에 노벨 물리학상을 받았고, 그 양자(quanta)에 광자(photon)라는 이름이 주어졌는데, 그것들은 양자역학(quantum mechanics)이라는 이름에서 말하는 원래 ‘양자(quanta)’입니다.

• * 콤프턴(Compton)은 광자(photon)는 운동량을 가진 입자라고 확인하였고(참고 문헌 1의 ‘Compton, 1923년’ 참조), 이 공로로 콤프턴은 1927년에 노벨상을 받았습니다.

• * 광자(photon) 개념은 레이저(laser), 보즈-아인슈타인 응축(Bose–Einstein condensation), 양자장 이론(quantum field theory)과 같은 실험 및 이론 물리학에서 중대한 발전을 가져왔습니다.

1-4. 그 후, 1948년에 파인만(Feynman)은 광자(photon)를 파동(wave)으로 간주할 필요가 전혀 없음을 설명했습니다(참고 문헌 4의 ‘Feynman, 1948년’; 참고 문헌 5의 ‘Feynman, 1949년’; 참고 문헌 6의 ‘Feynman, 1985년’ 참조).

• * 위의 처음 두 참고 문헌은 전문적 논문인 반면에, 세 번째 참고 문헌은 매우 간단한 용어로 작성된 책입니다. 관심있는 분에게는 이 책을 권하고 싶습니다. 필자는 책에 있는 내용을 요약만 하겠습니다.

• * 그 책은 4개의 강의 시리즈를 기반으로 했습니다. 다음 비디오는 물리학자가 아닌 사람들에게 제공되는 간단한 강의이며, 특히 책을 접할 수 없는 경우에 유용할 것입니다.

QED: Photons — Corpuscles of Light — Richard Feynman (1/4)

1-5. 그러나, 1986년까지 빛은 입자일 수 없으며 광전효과와 같은 많은 효과는 광자의 개념 없이 설명될 수 있다는 견해가 지속되었습니다(참고 문헌 8의 ‘Lamb and Scully, 1968년’; 참고 문헌 2의 ‘Crisp and Jaynes, 1969년’; 참고 문헌 9의 ‘Mandel, 1976년’ 참조).

• * 광자를 입자로 최종적으로 확인하는 것은 ‘단일 광자 소스(single photon source)가 개발될 때까지 기다려야 했으며, 1986년에 Granger, Roger 및 Aspect는 반상관성 실험(anticorrelation experiment)에서 광자가 실제로 입자임을 확인했습니다. 아래에서 이 실험에 대해 논의합니다.

광자가 입자라는 증거(증명) 

아래 그림은 광자가 실제로 입자인지 확인하기 위해 Granger, Roger 및 Aspect가 사용한 실험 구성을 보여줍니다(참고 문헌 7의 ‘Granger 외, 1986년’ 참조).

2-1. S에서 생성된 단일 광자는 빔 스플리터(beam splitter)를 통해 보내지고 각 레그(leg)를 통한 신호는 D1 및 D2에서 감지됩니다. 이 실험에서, 한 번에 하나의 광자가 빔 스플리터 A에 입사합니다.

• * 광자가 입자라면, A에서 반사되어 거울 M1을 향해 갈 수 있으며, 그 후 검출기 D1에서 검출되거나, 또는 A를 통과하여 거울 M2에 의해 반사되고 검출기 D2에서 검출될 것입니다. 그러면 검출은 D1 또는 D2에서만 기록(표시)됩니다.

• * 그러나, 광자가 파동이라면, 그것은 부분적으로 각 아암(레그)을 통해 전파되어 D1과 D2에서 동시에 검출될 수 있습니다. 그것은 ‘동시 발생 카운트(coincidence count, NC)로 계산(계수)됩니다.

• * 광자가 때때로 파동처럼 작용한다면, 동시 발생 카운트(coincidence count)가 일부 계수되어야  합니다.

2-2. 실험은 특정(주어진) 광자가 항상 한 번에 하나의 경로를 취한다는 것을 확인했습니다(참고 문헌 7의 ‘Granger 외, 1986년’ 참조).

• * 이 실험은 광자가 경로 AㅡM1ㅡD1 또는 경로 AㅡM2ㅡD2를 통해 이동한다는 것을 결정적으로 증명했습니다.

• * 광자가 ‘파동의 성질’을 가졌다면 적어도 약간의 ‘동시 발생 카운트(coincidence count)’가 있었을 것입니다.

2-3. 이 실험적 확인으로 광자는 이제 ‘기본 입자(elementary particle)’로 분류됩니다. 모든 파장에서 광자는 입자로 검출됩니다.

• * 파인만(Feynman)의 양자 전기역학(QED, Quantum Electrodynamics)에서 광자는 경로 적분(path integral)을 통해 ‘모든 가능한 경로’를 고려하는 입자로 성공적으로 처리됩니다.

• * 우리가 제안한 이론에서, 광자는 입자이고 그 운동은 실험 배열의 세부 사항을 고려하여 공간을 가로질러 순간적으로 설정된 수학적 파동 함수에 의해 제어됩니다. 파동함수는 간섭 및 회절 효과를 설명합니다.

2-4. 뉴턴의 빛에 대한 입자 이론은 간섭과 회절 현상을 설명할 수 없기 때문에 1850년경에 폐기되었습니다.

• * 그러나, 파인만(Feynman)이 1948년에 양자 역학에 대한 새로운 접근 방식을 도입했을 때 그는 다음과 같이 제안했습니다. “..어떤 입자가 어떤 시공 영역 내의 어딘가에 있는 경로 x(t)를 가지는 것으로 발견될 수 있는 확률은 그 영역의 각 경로에서 하나씩의 기여 합계(sum of contribution)의 제곱이다. 단일 경로로부터 기여는 (가상의) 위상이 해당 경로에 대한 고전적 작용(단위: ℏ)인 지수라고 가정한다..”(참고 문헌 4의 ‘Feynman, 1948년, p. 367’ 참조).

• * 그 다음, 그는 양자 전기역학(QED)의 공식에서 광자와 전자의 전파를 설명하기 위해 그 개념을 적용했습니다(참고 문헌 5의 ‘Feynman, 1949년’ 참조). ‘적용 가능한 모든 경로’를 사용한 광자 전파의 기본 아이디어는 파인만(Feynman)이 QED에 대한 소개 책(참고 문헌 6의 ‘Feynman, 1985년’)에서 설명했습니다.

2-5. 파인만(Feynman)은 그의 책(참고 문헌 6의 ‘Feynman, 1985년’)에서 방정식을 사용하지 않고 간단한 도표으로 QED 이론을 설명했습니다. ‘양자역학과 담마’ 섹션의 ‘제안된 해석의 기초ㅡ양자전기역학의 파인만 기법( Basis of the Proposed InterpretationㅡFeynman’s Technique in QED )’ 서브섹션을 참조하세요.

• * 그러나, 그의 기법은 완전히 임시적이었습니다. 그것에 대한 근거는 없었습니다. 그는 다음과 같이 설명했습니다(참고 문헌 6의 ‘Feynman, 1985년’의 p.10). “..여러분에게 말하는 것은, 제가 자연이 어떻게 작용하는지 설명하는 중에, 여러분은 자연이 왜 그렇게 작용하는지를 이해하지 못할 것입니다. 하지만 알다시피, 아무도 그것을 이해하지 못합니다. 저는 자연이 왜 이렇게 특정한 방식으로 거동하는지 설명할 수 없습니다.”

• * 그 이후로 발표된 새로운 실험 결과로, 우리는 이제 그의 기법 뒤에 있는 근거를 이해할 수 있습니다. 그것이 우리가 첫 번째의 포스트 시리즈에서 논의할 내용이며, 미공개 논문인 ‘A Self-Consistent Interpretation of Quantum Mechanics Based on Nonlocality’에도 있습니다.

2-6. 물론, 빛과 관련된 많은 현상은 빛을 전자기(EM, electromagnetic)파로 취급하여 설명할 수 있습니다. 마치 큰 입자의 운동을 뉴턴 역학으로 다룰 수 있는 것과 같습니다.

• * 그러나 양자 현상을 분석할 때, 전자기(EM) 이론은 빛에 대해 작동하지 않으며 뉴턴 역학은 미시 입자에 대해서는 작동하지 않습니다. 이것은 빛과 전자의 상호 작용을 다루는 양자 전기역학(QED)에서 아주 분명합니다.

이 양자역학 포스트들에 대해 질문이 있으면 토론 포럼의 ‘Quantum Mechanics – A New Interpretation’에서 논의할 수 있습니다.

참고 문헌(클릭하여 PDF를 다운로드할 수 있음)

1. Compton, A. H., A Quantum Theory of the Scattering of X-Rays by Light Elements (1923)

2. Crisp, M.D., Radiative effects in semiclassical theory (1969)

3. Einstein-Generation and conversion of light with regard to a heuristic point of view (1905)의 영어 번역

4. Feynman, R.P. Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics (1948)

5. Feynman, R.P. Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics (1949)

6. Feynman, R.P., QED: The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press (1985).

7. Grainger, P. et al Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect (1986)

8. Lamb, W. E. and M. O. Scully, The Photoelectric effect without photons (1968). The Photoelectric effect without photons에서 온라인으로 접할 수 있음 

9. Mandel. L., The case for and against semiclassical radiation theory, in Progress in Optics, vol. 13, North-Holland (1976). (pdf 파일 없음).