파동-입자 이중성(wave-particle duality)

고전역학에서 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 양자 세계를 파동(wave)으로 기술하는 방정식을 찾았고, 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 양자 세계를 입자(partical)로 기술하는 방정식을 찾았다. 폴 디렉(Paul Dirac)은 실재에 대한 이 두 형태의 이론이 양자 세계에 대한 기술로서 서로 정확히 상응함을 증명했다.

20세기 초에 빛이 입자들의 흐름처럼 행동한다는 것을 보여주었다. 광전 효과(photoelectric effect)에 관한 것이었다. 방출된 전자들의 에너지를 측정해보니 쪼인 빛의 색깔이 같으면 전자의 에너지는 늘 같음이 드러났다. 밝은 빛을 쬐면 더 많은 전자가 방출되었지만 여전히 이 전자들은 동일한 에너지를 갖고 있었고 이 빛이 더 약해질 경우 방출되는 전자의 수는 줄어들었지만 이 전자들 역시 동일한 에너지를 갖고 있었다.

이와 같은 현상을 빛은 입자라는 측면에서 설명한 사람이 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이었다. 빛을 파동이라고 생각한 지 한 세기가 지나서 물리학자들은 다시 빛을 입자로 고려해야 했다. 1920년대에 아원자 세계의 전형적인 입자인 전자가 파동처럼 행동할 수 있다는 증거를 접하고 당혹스러움을 느꼈다. 조지 톰슨(George Thomson)은 전자들이 파동임을 증명한 공로로 노벨상을 받았다. 반면 그의 아버지인 J. J. 톰슨은 전자들이 입자임을 증명해 노벨상을 받았다. 모두 합당한 것이었다. 양자 역학에서 모든 물질이 입자와 파동의 성질을 동시에 지니는 성질을 가리켜 파동-입자 이중성(wave-particle duality)이라고 의미를 이론화하였다.

역사적으로 파동-입자 이중성(wave-particle duality)은 빛이 과연 입자인지, 아니면 파동인지에 대한 논란으로부터 비롯되었다. 빛이 두 가지 성질을 모두 지닌다는 사실이 실험을 통해 증명되었고 이후 빛 뿐만 아니라 다른 모든 물질도 입자와 파동의 성질을 둘 다 지닌다는 사실이 발견되었다.