On Light
빛, 그리고 빛 에너지에 대하여
19세기 이후 현대물리학의 핵심은 빛에너지다. 빛에너지의 정체를 알기 위한 물리학자들의 부단한 노력이 곧 현대과학의 정수라 하겠다.
19세기의 가장 큰 성과는 영국 물리학자 제임스 맥스웰의 정리였다. 그의 놀라운 발견으로 드디어 인류는 빛의 정식 명칭을 알아냈다. 그 이름은 전자기파 혹은 전자기 방사선이었다. 이 전자기파의 속성을 수학적으로 풀이해 놓은 것이 맥스웰 방정식이며, 파동으로서 전자기파가 운반하는 빛의 에너지를 알게 되었다.
빛은 더이상 사람 눈에 보이는 가시광선만이 아니다. 빛은 여러 개의 웨이브이며, 그것들은 주파수(진동수)에 따라 달라진다. 19세기 과학자들은 주파수별 빛의 정체를 다 알아내기 위해서 흑체(Black Body)라는 상상속의 물체를 생각해냈다.
흑체는 모든 주파수대의 빛을 모조리 흡수하는 물체이다. 빛을 다 흡수했다고 가정하자. 19세기 과학자들은 열역학에 꽂혀 있었다. 모든 빛을 다 흡수했다면, 열역학 법칙에 따라, 다시 모든 빛을 다 방출하지 않겠느냐는 것이다. 방출되는 빛을 다 잡아내서 스펙트럼으로 표현해 보자. 그것이 바로 우리가 아는 빛의 스펙트럼이다. 가시광선을 기준으로 한쪽으로는 적외선, 마이크로파, 라디오파가 있고 다른 한쪽으로는 자외선, x선 감마선이 있다. 빛의 주파수에 따라 이렇게 달라진다.
(이처럼 나도 여러분도 빛으로 이루어져 있다. 우리 인체는 자외선을 방출하지는 않지만, 적외선을 외부로 방출한다.)
자, 여기에서 흑체에서 나오는 빛의 에너지가 어느 정도될까? 이 문제에 또 여러 물리학자들이 달려들었다. 오스트리아 천재 물리학자 루드비히 볼츠만이 역사적인 해답을 제시했다. 단위면적당 흑체에서 방출되는 빛의 에너지는 오직 온도에 의해서만 정해지며, 온도의 4제곱에 비례한다는 것이다. (방출하는 빛은 여러분의 온기는 여러분이 세상에 방출하는 에너지다.)
과학자들은 흑체에서 나오는 모든 주파수들의 빛을 에너지 관점으로 그래프를 그렸더니 그 유명한 흑체 커브가 나왔다.
이걸 수학적으로 해명하는 작업이 어려웠다. 누구도 해명할 수 없었다. 기존 지식으로는 이걸 수학적으로 설명할 수 없었다. 이렇게 하면 이런 에러, 저렇게 하면 저런 에러가 나왔다. 누군가는 이 그래프를 설명하면서, 동시에 가장 작은 단위의 빛의 에너지를 설명해야 했다.
이게 당시 논란의 과제였다. 단위 면적당 방출되는 빛의 에너지는 해명되었으니까, 이제는 흑체 열방사 그래프를 해명하면서, 단위 면적당이 아닌 그것보다 훨씬 작은 최소단위의 빛의 에너지를 알아야 했던 것이다.
독일 과학자 막스 플랑크는 이렇게 해도 안 되고 저렇게 해도 안 되니, 해답을 얻기 위한 편법으로, 이유는 모르겠지만, 빛이 연속하지 않는다고 가정하면서, 가장 작은 단위의 빛 에너지는 E=hv(h는 이 우주에서 가장 작은 숫자 중의 하나인 플랑크상수이며, v는 빛의 주파수이다)로 생각해 봤다. 이걸 '양자가설'이라고 한다. 여기서 '양'은 음양의 양이 아니라 양질의 양이다. quantum.
그런 논문을 썼다. 이게 난리가 났다. 200년간 빛은 '연속하는' 웨이브(wave)로 믿고 있었는데, 그리고 맥스웰방정식으로 완전 풀이까지 끝냈는데 다시 빛은 입자인가?????? 정작 막스 플랑크도 고개를 갸우뚱한다. 이런 혼란이 몇 년간 지속되다가 1905년 어느 천재 물리학자가 혜성처럼 등장해서는 물체에 빛을 쏘아대니 전자가 튕겨져나간다면서 그렇다면 빛은 알갱이라는 걸 증명했다. 그걸 광전효과라 하며, 그이의 이름은 알베르트 아인슈타인이다. 빛 알갱이는 광자, 포톤이라고 부른다.
양자역학은 이렇게 해서 탄생했다. 빛은 웨이브이면서 또한 알갱이다. 빛은 전자기파로서 이 전자기파가 전달하는 에너지는 맥스웰방정식으로 정해진다. 빛을 방출하는 물체의 단위 면적당 방출되는 에너지는 볼츠만 법칙을 따른다. 그리고 빛 알갱이 하나의 에너지는 플랑크법칙을 따른다.
그 이후에는 여러 천재들이 봇물 터질듯이 등장한다. 양자역학의 이론을 정리한 덴마크의 천재 닐스 보어가 있으며, 오스트리아의 슈뢰딩거, 독일의 막스 보른, 하이젠베르크, 프랑스의 드 브로이 등 많은 노벨상 수상자들이 각자 자기 이름을 역사에 기록한다.
그다음 양자역학의 시대, 오늘날에 이른다.
