양자역학 직관 실험실 3단계

이중슬릿과 경로 검출기

어느 구멍으로 갔는지 알아낼수록 무늬가 흐려집니다

3단계 2단계에서 표식을 달기만 해도 무늬가 죽는 것을 봤습니다. 표식이 광자를 건드려서 그런 것 아닐까요. 여기서 그게 아니라는 걸 숫자로 봅니다.

구멍 두 개를 지난 광자가 스크린에 한 점씩 찍힙니다. 한쪽 구멍을 막고 500발, 반대쪽만 막고 500발을 쌓으면 회색 점선 높이가 나옵니다. 그다음 둘 다 열고 1000발을 쏘면 그 선 위아래로 물결칩니다.

스크린 한 자리로 가는 화살표

0.00

자리를 옮기면 두 화살표가 벌어졌다 모입니다. 벌어진 만큼 합이 짧아지고 그 자리가 어두워집니다.

실험 설정

구멍 막기

한쪽씩 막고 500발을 쏴 두 번 쌓으면 회색 점선 높이가 됩니다. 그다음 둘 다 열어 보세요.

0%

표식 겹침 1.00, 구별도 0.00

예측하고 발사

50%

발사하기 전에 정하세요.

경로를 아는 상태로 표식만 2000번 읽습니다.

결과

발사0
막혀서 흡수0
무늬 가시도 V아직 없음
경로 구별도 D안 쟀음
V² + D²—

관측 분포 한쪽씩 막고 잰 두 값의 합 내 예측의 무늬 폭

구멍 하나씩 지난다는 그림

광자마다 어느 구멍으로 갔는지가 이미 정해져 있다고 보는 그림입니다. 그렇다면 한쪽씩 막고 재서 더하면 됩니다. 한쪽만 열면 절반이 벽에 막히고 남은 절반이 평평하게 퍼집니다. 두 번 쌓은 것이 회색 점선입니다. 이 선은 주장이 아니라 직접 잰 값입니다.

둘 다 열고 쏘면 관측 분포가 점선 위아래로 물결칩니다. 어떤 자리는 한쪽씩 열었을 때보다 많이 오고 어떤 자리는 한 발도 안 옵니다. 검출기 세기를 올릴수록 물결이 잦아들다가 100에서 점선에 딱 붙습니다. 경로를 알아낸 만큼 정확히 무늬를 잃습니다.

두 값을 따로 재야 합니다

무늬 가시도 V와 경로 구별도 D를 같은 데이터에서 뽑으면 둘의 관계가 확인되지 않습니다. 계산이 제자리를 돌 뿐이죠. 그래서 실험을 둘로 나눕니다. 가시도는 스크린에 찍힌 위치만 모아서 재고 구별도는 경로를 아는 상태로 표식만 따로 읽어서 잽니다.

따로 잰 두 값을 제곱해서 더하면 1이 나옵니다. 하나를 얻은 만큼 다른 하나를 내놓습니다. 둘은 한 몫을 나눠 갖습니다.

이 실험이 반증하지 않는 것

고전 파동 간섭은 여기서 틀리지 않습니다. 줄무늬 자체는 고전 파동이 그대로 맞힙니다. 다만 한 발씩 찍힌 점이 쌓여 무늬가 된다는 것, 그건 말하지 못합니다.

수식 보기
스크린 위치 x 의 경로차 위상 δ(x) = 2π x / Λ 표식 두 상태를 대칭으로 둔다. |m₁⟩ = cos(α/2)|0⟩ + sin(α/2)|1⟩ |m₂⟩ = cos(α/2)|0⟩ − sin(α/2)|1⟩ 겹침 c = ⟨m₁|m₂⟩ = cos α 표식을 무시했을 때 스크린 분포와 가시도 p(x) ∝ 1 + c cos δ(x) V = c 표식이 경로를 얼마나 알려주는지는 헬스트롬 한계가 준다. ± 기저에서 읽고 +면 1번, −면 2번으로 찍으면 Pr[맞힘] = (1 + sin α) / 2 D = sin α = √(1 − c²) 따라서 이 모형에서 상보 관계는 부등식이 아니라 등식이다. V² + D² = c² + (1 − c²) = 1 가시도 추정량은 창 안에 무늬 주기가 정수 개 들어가는 것을 이용한다. V̂ = 2 · mean( cos δ(xᵢ) ), E[cos δ] = c/2

좁은 슬릿 극한이라 단일 슬릿 회절 포락선을 평탄하게 두었다. 근거 문서는 references/physics-notes.md 3단계 절이다.