18. 물체의 운동의 이중성
[창조와 과학 스토리]
『태초에 하나님이 하늘과 땅을 창조했다.』(창 1장 1절)
18. 물체의 운동의 이중성
이 세상에서 많은 파동현상을 본다. 잔잔한 호수에 돌을 던지면 돌이 떨어진 수면을 중심으로 동그랗게 파동이 퍼져 나간다.
이러한 것은 누구나 흔히 보는 현상이다. 두 개의 돌을 던지면 그 각각의 돌이 떨어진 곳을 중심으로 파동이 동그랗게 퍼져나가다가 이들이 서로 부딪힌다. 마치 해변에서 밀려오는 파도가 서로 부딪치듯이 파동은 강한 곳과 약한 곳, 즉 산과 골이 있다. 두 파동의 산과 산이 합치면 그 파동은 진폭이 두 배가 되며 또한 크기가 같은 두 파동의 산과 골이 합치면 파동은 서로 상쇄되어 없어진다. 이러한 현상은 우리들이 간섭현상이라고 하며, 주위에서 흔히 볼 수 있는 것이다. 파동은 또한 회절현상을 일으키는 것으로도 알려져 있다.
말로써 설명하기보다 예를 들어보자. 볼펜뚜껑 같은데 작은 바늘구멍을 뚫고 들여다보면 회절무늬를 볼 수 있다. 이것은 빛이 파동이기 때문에 생기는 현상이다.
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19세기 이전에만 하더라도 빛의 입자설이 지배적이었다. 뉴턴 같은 위대한 학자가 빛의 입자설을 주장한 것 때문에 빛의 입자설은 더욱더 많은 사람들에 의하여 받아들여졌다. 즉 빛은 마치 하늘에서 내리는 작은 빗방울처럼, 혹은 총알처럼 행동한다는 것이다. 비가 올 때 우산을 쓰면 비를 맞지 않듯이 역시 우산을 쓰면 햇빛도 가릴 수 있다. 빛은 직진한다는 것이며, 이것은 우리들의 일상생활의 상식과 맞는 이야기다. 그런데 회절현상은 이름이 말해주듯이 직진하지 않고 돌아서 가는 데서 생기는 현상이며 파동에서 일어나는 현상이다. 따라서 빛은 파동이라는 것이 19세기에 와서는 지배적인 의견이었다.
그런데 20세기에 들어서면서 광전효과가 발견됨으로써 빛은 또다시 입자이어야 한다는 의견이 나오게 되었다. 금속판에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상을 광전효과라고 하며, 빛의 강도에 관계없이 나오는 전자 하나하나의 운동에너지는 그 파장만 같으면 같다는 것이다. 그런데 파동이라면, 빛의 강도는 진폭의 자승에 비례하고, 따라서 나오는 전자의 운동에너지도 커져야 되는데 그렇지가 않다. 만약에 빛이 입자라면, 빛이 강하다 함은 빛의 입자가 많다는 것이며, 그 하나하나의 운동에너지는 파장, 즉 빛의 색깔에만 관계됨으로 나오는 전자의 운동에너지도 입사한 빛의 색깔만 같으면 같을 것이므로 광전효과가 설명이 된다. 따라서 빛은 입자처럼 생각되며 이를 광자(光子, photon)라고 부르고 있다. 도대체 어떻게 된 것인가? 빛은 파동처럼 행동도 하고 또한 입자처럼도 보인다는 결론이다.
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빛, 전자, 혹은 다른 모든 작은 입자의 세계에 적용되는 이 이중성의 근본적인 해결은 1926년에 이르러 여러 천재들의 힘에 의하여 해결되었으며, 이 이론을 양자역학(量子力學-Quantum mechanics)이라고 한다.
<빛이 있어야 한다/김제완 저/서울대학교 출판부>
우리는 주변에서 두 가지의 운동을 볼 수가 있다. 돌을 호수에 던질 때에 돌이 날아가는 모양에서 입자의 운동을 볼 수가 있고, 돌이 호수에 떨어져서 호수표면에서 일어나는 물결을 볼 수가 있다.
그뿐만이 아니다. 지면에 물이 흘러가는 모습을 보면, 또는 강줄기는 보면, 물이 흘러가는 것이 직선이 아니라 구불구불 되어있다. 그 외에도 야구공의 마구현상, 축구공의 바나나킥 등에서도 직선이 아니고 휘는 운동을 볼 수가 있겠다. 또는 사격장에서의 영점사격이라는 것이 있다. 총의 종류에 따라 실탄이 날아가는 속도에 따라서 포물선을 그리는 정도가 다르다. 그래서 M16의 총기에는 25m, 250m의 영점거리가 있으며, M4의 총기에는 25야드와 300야드의 영점거리가 있는 것이다. 즉 실탄의 날아가는 모습은 포물선을 그린다는 것이다. 그러면 빛과 같은 입자의 운동속도는 상상을 초월할 정도로 빠르므로 날아가는 운동은 포물선을 그리데, 포물선의 파장이 짧아진다는 사실이다.
다시 정리한다면, 빛의 입자 운동, 총알의 운동, 야구공의 운동, 축구의 운동, 물 흐름의 운동 등에서 물체의 흐름(운동)은 포물선을 그린다. 즉 파동의 운동을 한다고 생각할 수가 있겠다. 물체의 운동속도가 빠를수록 포물선의 파장이 짧아지고, 느릴수록 길어진다는 것이 된다.
그러므로 아이가 던지는 공의 운동은 중력을 무시한다고 생각하면 거의 직선으로 날아간다. 그 이유는 파장이 너무나 길기 때문에 직선운동으로만 볼 수밖에 없는 것이다. 그러나 빛과 전자의 운동은 매우 빠르므로 파장이 짧아지므로 파동의 운동으로 관측이 되는 것이다. 따라서 빛의 운동에 대해서 좀 더 상상력을 가진다면, 태양에서 오는 햇빛이 우주 공간을 지나갈 때와 지구대기 속을 지나갈 때와 바다와 같은 물속으로 지나갈 때에 파장이 다르다는 것을 생각할 수가 있다. 하지만 이러한 관측이 어려운 이유는 너무나 빛의 속도가 빠르기 때문에 그 차이를 찾아내기에는 한계를 느끼게 되는 것이다.
이 이외에도 핵 주변을 돌고 있는 전자의 운동에 대해서도 처음에는 입자의 원운동처럼 생각했었다가 파동의 운동을 한다는 사실이다. 그러므로 전자의 궤도는 전자의 파동의 파장의 정배수가 되는 궤도에서만 돌고 있다는 사실까지 알게 되었다.
또한 지구가 태양 주위를 돌고 있는 상태도 마찬가지이다. 전자보다 지구는 너무나 큰 물체여서 파동의 운동이라기보다는 타원운동을 한다고 생각하게 된다. 왜 지구는 태양 주위를 원운동 아니고 타원운동을 할까? 그것이 바로 파동운동의 영향이라고 보아야 할 것이다.
이처럼 아주 작은 원자의 운동이나 우주의 별처럼 큰 물체의 운동이나 파동의 운동을 한다는 사실을 깨달아야 한다. 즉 물체의 운동은 입자의 운동과 파동의 운동의 이중성을 띄고 있다는 것에 대한 놀라운 비밀을 아는가?
그뿐만이 아니다. 하수구에 물이 빠져나갈 때에도 회전한다는 사실과 태풍이 일어날 때에도 회전을 한다는 사실 그리고 미국대륙에서 흔히 보는 토네이도 현상도 역시 회오리바람이라는 사실인 것이다. 하물며 가을날씨에 낙엽들이 바람에 회오리를 일으키는 현상을 본 적이 있을 것이다. 이러한 모든 현상들에게는 물체의 운동의 이중성을 보여주는 현상들인 것이다. 왜 이런 일이 일어날까 하는 것에는 이미 과학자들이 일부, 아주 일부의 물질의 운동현상을 이해할 수 있도록 원리와 공식을 표현해 주었다.
그러나 이것을 꼭 알아야 한다. 인본주의 사상에는 구별하고 분리하는 의식이 있다는 것을 말이다. 그래서 통합적 사고보다는 분리적 사고에 익숙하다. 그 이유는 선악의 죄악성에 있기 때문이다. 첫째는 창조주와 인간의 분리, 둘째는 인간과 인간의 분리, 셋째는 인간과 동물의 분리, 그리고 종(種)의 분리에 있다. 그러므로 자연을 바라보는 의식에서도 전체보다는 개체를 알려고 하며, 끝없이 물질을 나누고 나누어 원자와 원자핵 그리고 핵의 분리까지 왔다.
그러므로 인간은 전체를 인식하지 못하고, 부분을 인식하려고 함으로써 진실을 알려고 하기보다는 ‘탐욕’과 ‘교만’함에서 충족하려는 인간의 불편함과 불안함에서 헤어나지 못하는 것이다. 그래서 인간들, 불신과 불안을 극복하기 위해서는 ‘우상숭배’와 ‘성적음란’을 추구하는 인간사회를 추구하는 것이다. 이러한 인간의 추구하는 목적은 바로 창조자 하나님의 형상을 따라 지은 바 된 인간에게는 ‘자유의지’를 파괴하는 것이다. 그래야만이 인간을 하나님으로부터 완전히 분리할 수 있기 때문이다.
