단일 광자 실험

광자 한 개.. 두개.. 이렇게 셀 수 있다는 말은 우리는 광자를 입자로서 생각한다는 얘기이다. 빛은 파동인데, 이렇게 한 개 두개 조각을 낼 수 있을까? 자주 얘기한 데로, 그것은 가능하다. 그리고, 진정 광자 한개로만 이루어져 있는지도 확인할 수 있다. 그것은 Mach zehnder interferometer라고 불리는 장치를 통해서이다. 아래 그림이 바로 그 장치이다. 장치는 50:50 beam splitter(BS1, BS2)라고 불리는, 광자의 경로를 반은 통과 반은 반사시키는 장치, 그리고, 거울 2개(M1, M2), 그리고 빛 알갱이가 도달하면 울리는 광검출기 D1, D2를 통해서이다.

• 

우리가 관측하려는 단 1개의 광자와 진공에 존재하는 vacuum photon 들이 먼저 첫번째 빔 분리기 BS1에 입력된다. 이제, 광자는 1/2의 확률로 반사 혹은 투과하기에 위에서 D1 D2로 가는 가능한 경로는 4개가 존재한다. 반사하는 경우에는 pi/2의 위상 지연이 발생하기에 D1으로 가는 경로 2개는 반대 위상으로 합쳐져서 사라지고, D2에만 광자가 검출된다. 만약 광자가 2개이상 존재한다면 양 검출기 모두 광자를 검출하기에, 둘 중 하나만 검출되는 것으로 부터, 단 1개의 빛 알갱이만 존재하는 것을 알 수 있다.

빛 알갱이는 분명히 입자인데, 입자 하나도 파동처럼 행동할 수 있을까? 그렇다. 입자는 하나인데, 그리고 그것은 분명히 셀 수 있는 입자인데, 그것은 가능한 모든 경로로 운동을 할 수 있다. 그리고 그 모든 경로의 운동은 action/h 에 해당하는 위상값이 곱해진 후, 합쳐진다. 우리는 그 모든 경로의 합을 보고 실재를 확인한다. 참으로 기묘하다. 입자가 동시에 가능한 모든 경로로 운동을 하다니...

우리는 모든 가능성들이 관측의 순간에 현실화 되는 그러한 세상에서 살고 있다. 우리가 관측하기 전, 그 모든 것은 가능성으로서, 가능태로 존재하다가 매 순간, 세상은 그 중의 하나의 모습으로 창조된다. 코펜하겐 해석이다. 다른 해석은, 우리는 모든 가능한 세상 중 하나의 세상에서 존재하고 있다. 행복한 나도 존재하며, 동시에 불행한 나도, 죽어 있는 나도, 살아있는 나도 존재한다. 휴 에버렛의 다중 세계 해석이다. 에버렛이 처음에 그런 주장을 했을 때, 사람들은 그를 기이하게 여겼다. 그러나, 오늘날 많은 양자 역학을 연구하는 물리학자들은 그의 의견을 따르고 있다.