빛, 전자, 양자역학, 입자, 파동, 코펜하겐 해석, 솔베이 회의, 음양, 태극, part 1

서양 과학이 연구를 하면 할수록 동양사상으로 온다는 사실을 이 글들을 읽으면서 이해하기 바랍니다. 동양의 음양사상, 태극, 한 사상이 바로 서양과학, 철학이 궁극적으로 연구에 연구를 거듭한 끝에 도달하게 된 결론이 되어 버린 것이다.

 

매일같이 뜨고 지는 태양, 등을 밝히면 걷어지는 어둠, 예로부터 인간은 이 빛의 본질이 뭔지 궁금해 했다. 빛이란 것은 무엇일까? 빛을 확대해서 가까이 보면은 도대체 어떻게 생겼을까?

17세기까지만 해도 과학자들은 빛이 입자인지 파동인지에 대해서 엄청나게 싸웠다. 그런데 이때 한 천재 과학자가 등장한다. 고전역학의 아버지, '아이작 뉴턴" 이다.

"빚은 입자다"

당시 인류 최고의 천재소리를 듣던 아이작 뉴턴, 그는 프리즘을 이용해서 빛을 빨주노초파남보로 가시광선 영역을 분리도 해보고 빛의 여러 색을 합쳐서 흰 빛을 만드는 실험으로 빛은 복합광임을 증명했다.

그리고 뉴턴은 빛을 '미립자 (원자나 원자핵 따위의 물질을 이루는 아주 작은 구성원)' 라고 가정하고 프리즘에 의한 빛의 반사, 굴절, 분산을 설명했다. 당시 아이작 뉴턴이라 하면 물리고학의 대명사, 모든 과학자가 거의 갓턴 갓턴 하면서 그를 믿고 존경했던 시대였기 때문에 뉴턴의 빛은 입자라는 의견은 곧 정설의 학계로 받아들여졌다

그런데 뉴턴의 빛의 입자설을 인정하지 않았던 과학자, '크리스티안 하위헌스' 그는 이렇게 말한다.

"빛이 입자라고요? 빛은 애초부터 파동이라고요, 파동! 물결처럼 흐름이 있다고요.. 만약에 빛이 입자라면 빛과 빛이 부딪힐 때 튕겨져야 되잖아요?. 흩뿌려 되잖아요. 근데 빛에다가 빛을 아무리 쏴봐도 빛이 사방으로 튀질 않잖아요? 이 말은 애초에 빛은 파동이라는 말이에요!"

하위헌스 뿐만 아니라 여러 과학자들은 빛은 파동이라는 주장을 계속해서 해왔지만 다른 과학자들은 믿어주지 않았다. 애초에 아이작 뉴턴이 물리학계의 슈퍼스타, 핵인싸였기 때문에 그의 말이 큰 신뢰를 받았고 그에 비하면 파동설을 주장하는 과학자들은 반박할 기회도 없었다. 그렇게 뉴턴의 주장 덕분에 약 180년 동안 사람들은 모두 빛은 입자라고 생각했다.

그렇게, 빛은 입자라는 생각이 지배적일 때 등장한 과학자, '토마스 영', 그는 빛을 이용해서 이중슬릿 실험을 진행한다. 슬릿(slit)은 길다란 구멍이라는 뜻으로 길다란 구멍이 2개 있으니까 이중 슬릿 실험이라고 부른다. 구멍이 2개 뚫린 판자뒤에 판자를 하나 더 설치해두고 빛을 쏘는 총으로 이 이중슬릿을 향해서 빛을 쏴본다. 빛을 입자라고 생각했떤 토머스 영은 이렇게 예상했다.

"어떤 빛은 벽에 맞고 튕겨져 나올거고, 또 어떤 빛은 구멍을 쏙 통과해서 벽 뒤에 있는 스크린에 도착하겠군"

우리들의 예상대로라면 뒤에 있는 판자에는 구멍을 지난 빛이 달라붙어서 2개의 줄무늬가 생길것이다 라고 예상되겠지만 그런데 결과는 완전 딴판이었다

"아니 이게 무슨 일이여? 두 줄이 아니라 여러줄이 나오다니?!"

과학자들은 어떻게 해야 여러개의 줄무늬가 나오는 걸까 생각하며 과거의 사례를 찾아보기 시작한다. 그런데 빛이 파동이라면 가능하다..빛이 파동이라면 처음부터 2개의 슬릿을 동시에 지나갈 수 있다. 빛이 파동이라면 이중슬릿의 간섭무늬 패턴하고 일치하게 된다. 즉, 빛은 파동이다 라는 결론에 다다른다. 이 실험 한방으로 뉴턴의 빛 입자설은 힘을 잃었고 빛의 파동설이 다시 우세해졌다.

1862년의 '제임스 맥스웰', 그는 전기와 자기에 의해 생성되는 파동, 전자기파의 속도를 측정하는 실험을 진행한다. 이 실험에서 맥스웰은 전자기파의 속도가 초속 30만 km 임을 이끌어낸다. 아니, 초속 30만 km? 전자기파의 속도가 하필 빛의 속도랑 일치한다?! 이거 혹시 전자기파=빛 인거 아닌가?

눈치가 빨랐던 맥스웰은 이 실험으로 빛이 전자기파의 일종임을 간파해낸다.

"전자기파는 파동이니까 빛도 파동입니다."

그렇다. 빛은 정말로 전자기장의 성분이 서로 수직으로 놓이면서 파동으로 전해져가는 전자기파임이 확인됐다. 이렇게 맥스웰의 파동 방정식까지 나오면서 뉴턴이 주장했던 빛의 입자설은 거의 힘을 잃어버렸고 빛은 파동이라는 이론이 훨씬 더 우새해졌다.

 

한편, 흑체복사를 연구하던 '막스 플랑크', 그는 흑체복사를 설명하는 과정에서 빛의 에너지가 띄엄띄엄하다는 사실을 깨닫게 된다. 예를 들어서 빛이 자동차라고 생각해 보면 자동차의 속력이 시속 100km, 200km로는 달릴 수 있지만 100km와 200km사이에 존재하는 120km, 150km로는 달릴 수 없는 거나 다름 없다. 이렇게 에너지가 띄엄띄엄하다는 건 사실 입자의 성질이다. 예를 들어서 당구공의 무게가 1kg이라고 생각해보자. 그러면 당구공 3개의 무게는 당연히 3개니까 3kg. 이 당구공을 쪼개지 않는 이상 당구공만으로 1.5kg, 2.5kg을 만들 수 없다. 즉, 빛의 에너지는 특정한 값의 배수로만 존재할수 있다. 이것을 우리는 양자화 되어 있다 라고 한다. 에너지가 연속적이지 않고 띄어띄엄 떨어져 있는 것이다.

이렇게 에너지가 띄엄띄엄하다는 건 사실 입자의 성질이다. 이런 흑체복사에서 일어나는 현상은 빛이 파동이라면 절대로 일어날 수 없는 일이다. 하지만 반대로 빛이 입자라면 가능하다. 막스 플랑크는 이걸 보고 생각한다.

"아니, 빛의 에너지가 연속적이지 않고 띄엄띄엄 존재하다니 혹시 빛은 입자로 만들어진 게 아닐까?"

 

하지만 당시 빛은 파동이라는 설이 매우 우세했고 빛이 입자 라고 하는 순간 과학계에서 개찐다 소리 듣고 매장당하기 때문에 플랑크는 본인이 밝혀낸 사실을 보고도 빛이 입자임을 쉽게 믿지 못했다.

"빛의 에너지는 불연속적입니다" 그른 이렇게 흑체복사의 연구 결과를 발표하면서 빛이 입자임을 간접적으로만 표현했다.

한편 빛은 파동이라고 믿은 과학자 '하인리히 헤르츠', 그는 음극선 실험을 하다가 우연히 광전효과를 발견한다. 광전효과란 금속 표면에 특정 진동수보다 더 큰 진동수의 빛을 비추었을 때 금속에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 그런데 당시 과학계의 메타는 빛의 파동설이 훨씬 우세했고, 과학자들은 이 광전효과를 빛의 파동설로는 전혀 설명하지 못했다.

 

그런데 여기서 이 모든 논쟁을 끝낼 인류 최고의 천재 과학자가 등장한다. '알버트 아인슈타인', 아인슈타인은 당시 파동설로는 설명하지 못했던 광전효과를 빛은 '광자' 즉, '입자'라는 이론으로 광전효과를 완벽하게 설명했다.

"빛을 자세히 들여다보면 입자화된 에너지 알갱이가 있습니다. 이게 바로 광자라고 하지요. 금속에 일정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 이유는 빛에 있는 광자와 전자가 충돌했기 때문입니다. 광자는 물질과 상호작용을 할 때 마치 입자처럼 행동하며 전자와 충돌할 때 가지고 있던 에너지를 전자에게 주었기 때문에 전자가 금속에서 튀어나온 겁니다."

이렇게 아인슈타인은 빛이 파동이라면 설명되지 않았던 광전효과를 빛의 입자설로 모든 원리를 설명했다. 그 당시 과학계는 빛의 입자설을 주장하면 미친 사람 취급을 받던 시대였는데 아인슈타인은 광전효과로 빛이 파동이라는 학계의 정설을 완전히 뒤집어 놨고 노벨 물리학상을 타는데 성공한다. 빛의 입자설이 다시 우세해 지기 시작한 시점이다.

1923년 과학자 콤프턴은 한 실험을 진행하는데 이 실험으로 아인슈타인의 빛 입자설이 증명된다. 그는 X-선의 광자를 흑연에다 정확히 쏘아보아보았더니 빛이 마치 당구공처럼 움직였다는걸 알게 된다. 당구공 하나를 다른 당구공 하나로 때려보면 하나의 당구공이 휘는 만큼 다른 당구공도 휘게 된다. 만악에 빛이 입자가 아니었다면 절대로 일어날 수 없는 현상이다. 이 당시 콤프턴의 실험으로 빛이 입자라는 걸 명확하게 보여줬고 이 실험 하나로 콤프턴은 1927년 노벨 물리학상을 타게 된다.

 

이렇게 몇 백년동안 과학계는 빛이 입자냐 파동이냐를 가지고 엄청나게 싸워왔다. 뉴턴 때는 빛의 입자설이 우세했다가 토마스 영하고 맥스웰 때는 빛의 파동설이 우세했다가 또 다시 아인슈타인 때는 광자효과로 빛의 입자설이 우세해 졌다.

이렇게 몇 백년이나 빛이 파동이냐 입자냐 싸우다 보니까 과학자들은 머리가 터져나갔다. 과학계에서 입자와 파동은 절대로 양립할 수 없는 개념인데 어떤 실험에선는 무조건 파동이 맞아야 하고 또 어떤 실험에서는 무조건 입자가 맞아야 되는 이상한 실험 결과들이 나오는 것이다. 이쯤되니까 과학자들은 어떨 때는 파동이 맞고, 어떨때는 입자가 맞는 이런 빛의 현상을 보면서 그냥 둘다 맞다 하면서 빛의 이중성, '파동-입자의 이중성' 을 받아들이기 시작했다.

아인슈타인의 광전효과는 도대체 어디에 쓰일까? 영화 <오션스12>에서 세계 최고의 도둑 프랑수와 툴루는 값비찬 보물을 훔치기 위해서 보안실을 침투한다. 이 보안실은 도둑이 들지 못하도록 특수 레이져가 설치돼 있는데 만약에 몸에 이 레이져가 닿기만 하면 경보장치가 울리고 도둑질은 실패로 끝나게 된다. 도둑들 입장에서는 이 레이져 보안장치는 아주 성가신 녀석이다. 그런데, 이 보안용 레이져의 원리가 뭘까? 이 보안용 레이져의 원리가 바로 '광전효과' 이다.

광전효과에 따르면 빛에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있고 반대로 전기에너지를 빛에너지로 변환할 수 있다. 레이저 광선을 살펴보면 광반도체에 전류를 가하면 (-)전하의 전가가 이동하면서 빛 에너지가 방출된다. 여기서 레이져 보안 기술은 신체의 일부분에 레이져가 닿았다가 반사되는 지점을 분석한다. 적외선으로는 사람인지 사물인지를 인식하고 빛이 반사되어 되돌아 오는 시간을 계산해서 위치나 크기를 계산한다.

이렇게 빛을 통해서 계산하는 것은 엄청나게 정확하다. 극심한 안개, 비바람의 악조건에서도 물체를 구분할 수 있고, 살아있는 생물체인지, 그게 움직이고 있는지도 탐지할 수 있다. 그렇게 빛을 이용한 레이져 보안 기술은 아인슈타인의 광전효과 덕분이다. 그 밖에도 광전효과가 사용되는 분야에는 자동으로 켜고 꺼지는 불빛, 자동문, 스캐너, 태양광 발전, 전자 계산기, 인공위성 등이다.

 

그런데, 파동과 입자의 성질을 동시에 가진게 과연 빛 뿐일까? 물질도 혹시 파동이면서 동 시에 입자이지 않을까? 물질이 이중성을 가졌다는 것 자체가 말이나 될까? 다음에는 양자역학의 역사에 대해 알아보자.

 

To be continued . . .

출처 : https://youtu.be/VNioq1QbL3Q