[Science Cookie] 빛은 입자일까, 파동일까? 그리고... - 양자역학 Part 2

 

 

 

형설지공이라는 말이 있어요.

눈이 소복이 쌓인 앞뜰에서 반사된 달빛이

그리고 반딧불이의 꼬리에서 나오는 빛이 만들어 낸

공로라는 뜻을 가진 사자성어이죠.

 

이 사자성어는 밤낮으로 열심히 공부에 몰두해 관직에 오를 수 있었던

고대 중국의 동진 때 사람이였던 차윤의 일화를 통해 만들어졌습니다.

 

이 말은 피나는 노력의 상징처럼 이용되기도 하지만

지금처럼 전기를 이용해 빛을 마음껏 만들어낼 수 있는 우리에게 있어서는

약간은 낯선 사자성어이기도 하지요.

 

하지만, 니콜라 테슬라에 의해 교류전류가 발달되기 이전까지는

지금처럼 전기가 보급되지도 않았을 뿐더러

밤에 어둠을 밝히기 위해서는 횃불과 같은

불을 직접 이용하는 방법이 거의 유일하다시피 했어요.

 

우리나라에서 전기를 이용한 등불이 최초로 이용되었던 것도

다름 아닌 1887년

지금으로부터 불과 131년 전이라는 게 놀랍지 않나요?

 

앞서 설명했던 것처럼 인간은 너무나 당연하게도

사물을 보기 위해서 빛을 사용합니다.

 

하지만 몇 명 호기심어린 특이한 사람들에 의해서

합리적인 의심이 하나 둘 샘솟기 시작하죠.

 

빛은 과연 무엇일까?

대체 빛이 무언가로 이루어져 있길래

우리 눈에 보이는 것이며

우리가 빛을 통해서 무언가를 볼 수 있는 것일까?

 

오늘은 바로 빛이 무엇일까에 관한 그 이야기를 따라가는 여정

빛의 본질에 관한 이야기를

과학쿠키와 함께 들여다 보도록 하겠습니다.

 

 

빛의 본질에 관한 역사적 기원은 1편에 소개되었던 것과 동일하게

물질의 본질에 관하여 생각했던 과학자

데모크리토스와 아리스토텔레스로부터 시작되었습니다.

 

데모크리토스는

빛은 모든 물질과 같이 특정한 알갱이 덩어리들의 집합체로 이루어져 있으며

이들이 한데 모여 움직인다는 빛의 입자설을 주장하였습니다.

 

반면 아리스토텔레스는 그의 4원소설에 등장하는

불의 진동에 의해 발생하여 퍼져나가는 Wave의 형태

다시 말해 빛은 파동이라고 주장했지요.

 

이때까지만 해도 빛은, 이렇다 저렇다 할 특정한 설명체계

즉, 패러다임이 없는 상태로 시대가 점점 흐르게 되다가

아랍의 수학자이자 천문학자였던 이븐 알하이삼에 의해

1021년에 발간된 빛의 본질에 관해 논하는 최초의 서적, <광학의 서>를 통해

빛은 굴절과 반사를 하는 특징을 지니며

이러한 특징으로부터 빛의 입자설을 지지하게 됩니다.

 

그러나 그보다 한참 뒤인 1625년, 르네 데카르트는

파동을 연구했던 네덜란드의 과학자인 스넬리우스가 연구했던 법칙

‘스넬의 법칙’을 빛에 성공적으로 적용함으로써

빛의 굴절현상을 파동을 통해서 설명할 수 있음을 증명해보이게 됩니다.

그래서 과연, 빛은 입자일까요, 파동일까요?

 

이러한 주장을 바탕으로 과학계는 보이지 않는 미스테리

빛은 입자인가 파동인가의 대격돌 역사가 시작됩니다.

 

하지만 유감스럽게도,

이 시점에서 물리학의 정점으로 칭송받던 대 과학자,

아이작 뉴턴 경이

그의 저서'광학'을 통해 빛은 작은 입자의 흐름이라고 대못을 쾅 박아버립니다.

 

그러나 동시대에 살았던, 하위헌스의 원리로 유명했던 과학자인 크리스티안 하위헌스와

용수철의 탄성뿐만 아니라 현미경학을 연구했던 과학자인 로버트 훅은

빛은 여타 다른 파동들과 같은 에너지의 흐름

즉 파동이라는 주장을 굽히지 않았습니다.

 

특히 훅은 만일 빛이 입자라면 빛을 향해 빛을 쏘게 되었을 때

사방으로 빛이 튕겨져 흩뿌려질 것이 명백한데

아무리 실험해도 빛이 충돌해서 사방으로 튀는 현상을 목격할 수 없다는

실험 결과를 근거로

빛은 파동일 수밖에 없다는 주장을 하였죠.

 

하지만 당시 만유인력의 법칙으로

우주의 원리를 거의 완벽하게 가깝게 설명했던

그런 위대한 과학자였던 뉴턴이 빛이 입자라는데

그 뜻을 거역할 수 있는 과학자가 몇 명이나 됐을까요?

거의 없지 않았을까요?

 

이러한 이유에서인지 당시의 과학계의 빛의 파동설은

상당히 비주류로서 존재하게 되죠.

하지만 이러한 판도를 완전히 뒤집어엎어 버리는

엄청난 발견이 등장하게 되는데요.

 

1801년, 영국의 의사 출신이자 물리학자였던 토머스 영에 의해

빛이 입자라면 절대로 일어날 수 없는 실험을 세상에 선보이게 됩니다.

 

--

그 실험을 여러분께 직접 보여드리도록 하겠습니다.

제가 지금 들고 있는 이거는, 미리 만들어 놓은 2중 슬릿 입니다.

 

자세히 보면 여기에 지금 두 개의 빛줄기가 들어갈 수 있는

아주 조그만 틈이 있는 걸 볼 수가 있는데요

이 2중 슬릿에 만약에 빛이 통과했을 때 빛이 입자라면

벽에 두 줄기의 빛이 찍혀야 할 것입니다.

 

하지만 이 2중 슬릿을 통과했을 때

이 벽에 과연 몇 개의 무늬가 찍힐지

같이 한 번 실험을 통해서 확인해 보도록 합시다.

 

보시다시피 두 줄기가 아닌, 여러 줄기의 빛이 형성되어 있는 것을 볼 수 있습니다.

빛이 입자였다면, 반드시 두 줄기가 되어야만 했던 것이

어째서 이렇게 많은 점무늬를 만든 것일까요?

 

이러한 현상은 파동의 대표적인 성질인

Diffraction 회절과 Interference 간섭에 의해 발생하는 것입니다.

특히 간섭은

파장이 같은, 서로 다른 두 줄기의 파동이 만났을 때 일어나는 현상이죠.

이러한 간섭에는 특별히 눈에 띄는 두 가지 상태가 있는데요.

우연히 같은 위상이 만나 강렬하게 만들어주는 Constructive Interference, '보강 간섭'과

정반대의 위상이 만나 서로가 서로를 지워주는 Destructive Interference, '상쇄 간섭'이 있죠.

 

빛이 슬릿을 통과하면서, 회절에 의해 벽면에 흩뿌려지게 되면

특정한 위치에서는 같은 위상이 만나 보강되게 되고

또 다른 특정한 위치에서는 정반대의 위상이 만나 상쇄되게 되면서

이러한 점 무늬를 만들게 되는 것입니다.

 

이 이중슬릿 실험은 집에서 하기도 간편하고

더 소개될 내용도 많기 때문에

오늘은 간단히 보여드리기만 하고

다음에 실험쿠키를 통해 따로 영상을 만들어 업로딩 해드리도록 할게요.

 

--

이러한 혁명적 발견 덕분에 무려 백팔십 년 동안이나 지배하고 있었던

빛의 입자설에는 금이 가게 되고,

새로운 패러다임인 빛의 파동설을 하나둘 받아들이기 시작하게 되죠.

 

이후 17년 뒤인 1818년에

오귀스탱 장 프레넬의 회절 실험을 통해

그동안 입자로는 설명되지 않았던

빛이 한 쪽 방향으로 정렬하는 현상인 '편광'을 포함해

결정면에 따라 두 갈래로 빛이 나뉘게 되는 '복굴절 현상'을

빛이 파동, 구체적으로는 '횡파'라는 가정을 통해 설명해내게 되면서

빛의 파동설이 좀 더 견고해지는 결정적인 계기를 제공하게 되죠.

 

그리고 드디어 1865년

19세기 물리학의 천재로 손꼽히는 인물,

제임스 클러크 맥스웰에 의해 쓰여진 '전자기장의 역학 이론'을 통해

유도된 전자기파의 속력이

실험적으로 피코와 푸조가 정밀하게 산출한

빛의 속력과 동일하다는 것을 수식적으로 밝혀내게 되면서

뉴턴의 입자 패러다임은 붕괴되며

빛의 본질이 파동이라는 사실이 확정되게 됩니다.

 

그렇게 20세기 초반까지, 과학계는 '빛은 파동'이라는 확고한 믿음을 가지게 되었어요.

그러나 20세기초에

총 세 개의 논문으로 과학계 전체를 완전히 뒤집어엎어 버리는

혁명적이고 패기 넘치는 과학자에 의해서

다시 한번 빛의 입자설이 수면 위로 떠오르게 되는 사건이 일어나게 됩니다.

그 과학자는 바로 알베르트 아인슈타인이죠.

 

이러한 대 발견이 있기 바로 얼마 전인 19세기 말

철강산업의 발달을 통해 인류는 철강이 녹는 온도인

500˚C 이상의 온도를 측정하기 위한 기술을 필요로 하게 되었습니다.

 

그러한 사회적 요구에 따라, 뜨거운 물체를 연구하던 과학자들은

고온의 물체는 빛을 방출하며

그 온도에 따라 방출되는 빛이 다르다는 사실을 깨닫게 되죠.

 

1893년, 독일의 과학자 빌헬름 빈에 의해

에너지를 가진 물체는 그 온도에 따라 특정한 파장의 전자기파를 최대값으로 하여

모든 영역의 전자기파를 방출한다는 이론인

'빈의 변위 법칙'을 발표하게 됩니다.

 

이때, 이러한 실험에 사용되었던 실험도구가 그 유명한 '흑체'이며,

이 실험을 우리는 'Blackbody Radiation'

'흑체복사 실험'이라고 부른답니다.

 

이후, 흑체를 이용하여 실험적으로 규명한 빈의 변위 법칙을

열역학의 방법을 통해 설명하려는 노력들이 생겨났고

이 과정에서 영국의 물리학자 레일리는

'에너지 등분배 법칙'이라는, 어쩌면 여러분에게는 굉장히 생소한 법칙을 이용해

수식적으로 빈의 변위법칙을 해석하기 위한 시도를 시행합니다.

 

그러나 결과는 처참하게도

진동수가 낮은 영역에서만 일치하는 모습을 보였죠.

 

이러한 사태를 해결하기 위해 빈이 직접 나서게 되고

레일리의 식을 약간 변형한 형태를 제안하게 되는데요.

 

그러나 이번에는 높은 진동수에서는 매끄럽게 일치하는 듯 했으나

여전히 낮은 진동수에서는 약간의 오차를 가지고 있었죠.

 

이 두 가지 공식을 1900년

그러니까 20세기의 시작을 알림과 동시에

수학적인 방법으로 해결한 과학자가 바로

독일의 과학자이자 리즈시절 희대의 꽃미남 과학자

막스 플랑크입니다.

 

플랑크는 빈의 공식에 어떤 특정한 상수값을 대입해

완벽하게 빈의 변위법칙에 나타나는 흑체복사 스펙트럼을 설명할 수 있게 됩니다.

 

하지만 자신이 수학적으로 유도해낸, 수학적으로 발견해낸 이 공식에서

어떠한 물리적인 의미도 추출해낼 수 없던 프랑크는

자신의 공식에 상당한 불만을 가지게 됩니다.

 

그래서 플랑크는 고민합니다.

약 한 달 동안에 이루어진 이 고민이

앞으로의 과학사 전반에 걸쳐서

어떠한 막대한 영향을 끼칠지 상상도 못한 채 말이에요.

 

지금까지 과학자들은 세상에 존재하는 모든 에너지는

마치 전자기파의 스펙트럼 같이

그 값이 연속적으로 이어져 있다고 생각했어요.

 

예를 들면, 10˚C의 물과 11˚C의 물 사이에는

무한히 많은 온도가 존재한다고 생각했죠.

이러한 생각을 우리는 과학 용어로 '연속적이다'라고 합니다.

어느 시점에서 툭 툭 떨어져 있는 것이 아니라

그 값이 쭈욱 이어진다는 의미이지요.

 

하지만 플랑크는 이러한 생각을 뒤집는

완전히 놀라운 가설을 제안하게 되는데요.

'만일 에너지가 연속적이지 않다면?'

'어느 특정한 값의 배수로만 그 값을 가지게 된다면 어떨까?'라는 제안을 말이에요.

 

동전으로 이 상황을 예를 들어볼게요.

전 지금, 여기 있는 수두룩한 동전 속에서

770원 만큼의 돈을 꺼낼 거예요.

 

자, 770원 만큼 꺼냈어요.

바로 이 시점에서, 770원 만큼의 동전을 꺼내는 과정을 다시 들여다볼까요?

저는 770원을 만들기 위해서

500원짜리 동전 1개를 먼저 꺼내고

다음으로 100원짜리 2개

다음으로 50원짜리 1개와

10원짜리 2개를 꺼냈어요.

 

이렇게 이미 정해져 있는 어느 특정한 양

예를 들어 500원짜리 동전에는 500원의 가치가 들어 있고

100원짜리 동전에는 100원의 가치가 들어 있는

이러한 특정한 양을 가진 틀이 이미 정해져 있다는 것을

과학 용어로 Quantization이라고 부릅니다.

 

번역하자면 '양자화'라는 이 용어는,

'양'을 뜻하는 Quantity에 접미사 '-ization'을 붙여서

'특정한 양을 가진 틀로 만든다'라는 뜻을 가지고 있습니다.

 

동전의 경우에는 500원이라는 틀, 100원이라는 틀이 있어서

그 가치를 담고 있으니

동전은 '양자화'되었다고 할 수 있어요.

 

이렇게 양자화 되어 있는 대상은

중간 단계가 없다는 특징을 가지게 되는데요.

중간 단계가 없다는 게 무슨 의미냐면

동전 212.74원이라든지, 신발 1.4567234켤레

이런 것이 존재할 수 없다는 얘기죠.

 

예를 들어서, '너 동생 나이가 몇 살이니?'라고 누가 저한테 물어봤을 때,

'제 동생의 나이는 17.4217456살입니다.'

이렇게 말하진 않잖아요.

 

이렇게 양자화되어 있는 대상

다시 말해서 중간 단계가 없는 이러한 대상을

수학적으로 '불연속적이다'라고도 부르는데요.

 

플랑크는 에너지도 이와 마찬가지로 어떤 특정한 값

자신의 수식에서 임의로 설정한 '플랑크 상수'의 배수만 갖는

불연속적인 상태라면 어떨까? 라는 생각을 하게 되는데요.

 

이것이 바로 플랑크가 주장했던 가설

플랑크의 '양자가설'입니다.

 

그리고 이 양자가설을 통해 무슨 말인지 도통 알 수 없었던 플랑크의 에너지 공식은

빈의 변위 법칙을 완벽하게 설명함과 동시에

'에너지는 양자화되어 있다'는 의미를 지니게 됩니다.

 

이 양자가설이 1905년

겨우 스물여섯 살 된 알베르트 아인슈타인을 만나게 되면서

지금까지와는 다른, 완전히 새로운 세계로의 지평을 열게 됩니다.

 

맥스웰의 전자기파를 실험적으로 입증해낸 과학자 헤르츠가 이행했던 실험 중에는

'광전 효과'라는 매우 기묘한 실험이 있었습니다.

어느 특정한 진동수 이상의 빛을 금속판에 쬐면

그 금속판에서 전자가 튀어나오는 놀라운 발견을 하게 되죠.

 

그러나 당대 어떠한 과학자도

이 상황에 대해 명쾌하게 설명할 수 없었어요.

왜냐하면, 빛은 파동이기 때문에

아무리 진동수가 낮은 빛이라도 아주 오랜 시간 동안 금속을 쬐고 있으면

금속판에 에너지가 계속 축적되어서 결국 전자가 튀어나와야 하는데

도저히 그런 일은 일어나지 않았거든요.

 

그러나 1905년, 아인슈타인은 바로

이 문제를 빛에 플랑크의 양자 가설을 적용하여

빛이 가지는 에너지는 '양자화'되어 있어서

그 양은 빛알 하나당 E=hf만큼의 에너지를 가진다는 모델인

광양자 모델을 발표하게 됩니다.

 

쉽게 말해서, 빛이 특정한 에너지를 가지는 알갱이

즉, 빛이 입자임을 다시 한번 세상에 드러내놓게 되는 논문이었던 것이죠.

 

이렇게 되면, 특정한 진동수 이상의 빛알은

전자를 튕겨낼 수 있는 에너지를 가지게 되어

조금만 그 빛을 비춰도 바로 전자가 튀어 나가는 현상을 잘 설명할 수 있게 되고

반대로 특정한 진동수 이하의 빛알은

죽었다 깨어나도, 아무리 강하게 빛을 비춰도

전자가 튀어나갈 수 없다는 것을 이론적으로 설명할 수 있게 됩니다.

 

하지만, 이러한 광양자설은 맥스웰 이후

확고하게 빛이 파동임이 드러났었던 당시의 패러다임에 의해,

초기에는 크게 무시되었어요.

 

무려 중력가속도를 기름방울 실험을 통해 수치적으로 얻어낼 정도의

'실험 변태'…

아니…

 

실험물리학자의 천재였던 미국의 과학자, 로버트 밀리컨은

아인슈타인의 이러한 생각에 격렬하게 반대했기 때문에

어떻게든 낮은 진동수의 빛을 이용해 광전효과를 일으키기 위한 노력을 기울였지만

결국, 자신의 모든 시험 결과는 아이러니하게도

아인슈타인의 생각을 지지하는 증거가 되어버립니다.

 

아인슈타인의 이러한 기발하고 참신한 아이디어는

그 발상 자체가 당대를 너무나 초월해버린

그러한 발상이었기 때문에

당대의 과학자들은 아인슈타인의 이러한 주장을 거들떠보지도, 받아들이려고 하지도 않았습니다.

 

하지만 과학계가 빛의 입자성을 받아들일 수밖에 없었던

그러한 사건이 1922년에 일어나게 되죠.

 

미국의 물리학자였던 아서 컴프턴에 의해

X선 또한 광전효과가 나타난다는 것을 실험적으로 증명하게 되고

이에 그치지 않고 X선을 전자와 충돌시킨 뒤

X선의 에너지를 확인하는 실험인 '컴프턴 산란' 실험을 통해

전자기파의 입자성이 명백하게 드러나게 됩니다.

 

하지만 그렇다고 해서 토머스 영의 이중슬릿 실험이라든지

프레넬의 회절, 편광실험 등이 빛의 입자성으로 설명하지 못하는 부분이

여전히 남아 있기 때문에

과학계는 결국, 빛은 '파동적 성질과 입자 성질을 전부 가지고 있는 특이한 대상',

'Duality', 이중성을 가지는 대상으로 규정해버립니다.

 

결국 빛의 본질은 파동이면서 동시에 입자인

두 가지의 성질을 모두 가지게 되는

세상에 없던 존재가 되어버리고 맙니다.

 

이러한 이중성의 역사 속에서

프랑스의 과학자였던 루이 드 브로이는

아주 독특하고도 재미난 발상을 하게 되는데요.

 

드 브로이는 빛이 파동임과 동시에 입자인 성질을 지닌다는 이 사실을 통해

'혹시 빛뿐만 아니라 다른 모든 입자들

그러니까 우주를 이루고 있는 모든 입자들도

빛처럼 이중성을 지니고 있는 것이 아닐까?'라는 기묘한 생각

물질의 이중성에 대한 상상력을 발휘하게 되죠.

정말, 기막힌 역발상이 아닐 수 없죠?

 

하지만 쉽게 상상하기 힘든 건 사실입니다.

입자가 파동성을 띤다니

그럼 우리가 알고 있는 모든 알갱이들이 전부 다 파동처럼 존재한단 말이잖아요.

이게 과연,

정말 과학적으로 그렇다고 받아들여질까요?

아니면 과학계 저편으로 사라져 버릴까요?

 

그리고 저는 언제쯤 보어의 모형과

양자역학을 본격적으로 들어갈 수 있게 되는 걸까요?

그에 대한 답변을 이렇게 드리도록 할게요.

 

여러분이 양자역학 파트3의 영상을 클릭해서 보기 전까지는

내용이 있을 수도 없을 수도, 하는 2가지의 상태가 동시에 존재한다 라구요.

 

양자역학 파트3에서는,

1편에서 예고되었던 보어모형과 함께 시작되게 된

양자역학의 내용을 들고 여러분을 찾아뵙도록 하겠습니다.