빛과 양자역학

written by 최 채아

 공대생이라면, 특히 물리를 다루는 공대생이라면 ‘빛’이라는 주제에 양자역학을 안 쓰고 넘어가긴 쉽지 않을 것이다. 그래서 이번 글에서는 양자역학이 탄생한 배경, 특히 파동-입자 이중성에 집중해서 이야기하려고 한다. 혹여 어려운 개념이 나온다면 그냥 넘겨버려도 괜찮다. 글은 독자가 어느정도 관련된 지식을 갖추었다는 가정 하에 서술했고 대부분의 사람들이 삶을 살아가는데 빛이 파동인지 입자인지는 손톱의 때만큼만 중요하다. 

 글을 읽으면서 유념해야 할 것은 첫째로 이번 글에서는 우리가 살아가는 세계를 거시세계, 원자 보다 작은 것들의 세계(원자, 전자, 소립자)를 미시세계로 지칭한다는 것이다. 둘째로는 우리가 인지하는 거시세계에서 파동(ex, 소리)과 입자(ex, 밀가루)는 전혀 다른 것이며 소리가 갑자기 밀가루가 되거나 밀가루가 갑자기 소리가 될 수 없다는 것이다.  

 과학이 시작된 초기에 빛이란 무엇이었을까? 극 초기에 데모크리토스는 빛을 입자라고 아리스토텔레스는 빛을 파동이라고 주장하였다. 이후 이븐 알하이삼이 빛의 굴절과 반사 등의 현상에 기반해 빛을 입자라고 주장하였고 르네 데카르트는 저서 <세계>를 통해 빛을 파동이라고 주장한다. 이렇게 끊임없이 빛의 파동설과 입자설이 부딪혀왔다. 

 우리가 잘 아는 아이작 뉴턴은 미립자설(빛은 작은 입자의 흐름이다.)을 주장하는데 반해 현미경학으로 유명한 로버트 훅은 빛의 굴절현상을 근거로 빛의 파동성을 주장하였다. 둘은 적대적 관계였는데 당시 아이작 뉴턴의 권위가 매우 컸기 때문에 17세기 과학계에서는 입자설이 우세하였다. 

 19세기에 들어오면서 본격적인 내용들이 전개된다. 토머스 영이 이중 슬릿 실험(1801)을 통해 빛이 파동의 성질인 간섭무늬를 띈다는 것을 보여주었고 이를 토대로 빛의 파동성이론을 지지하였다. 그 당시만 해도 입자가 파동의 성질을 띈다는 것은 말도 안되는 이야기였기에 빛의 파동설은 급격하게 호응을 얻는다. 

 이후 제임스 클러크 맥스웰은 저서<전자기장의 역학 이론>(1865)에서 맥스웰 방정식을 이용해 계산한 전자기파의 속력이 빛의 속력과 동일하다는 것을 보였고 이를 통해 맥스웰은 빛이 전자기파라고 결론지었다. 맥스웰의 방정식은 하인리히 루돌프 헤르츠가 라디오파와 관련된 실험을 통해 증명했다. 이로 인해 당시 과학계는 빛이 파동이라고 확정된 분위기였다. 

 그러나 20세기 초반에 알베르트 아인슈타인이 광전효과를 설명한 논문을 발표(1905)하면서 이런 흐름을 반전시킨다. 이를 통해 많은 과학자들이 빛이 전자와 충돌하면 입자성을 띈다는 것을 실증하였다. 이에 반하는 주장을 했던 과학자가 행한 실험의 결과도 결국 아인슈타인의 주장을 지지하였다. 

 이후 사람들은 빛이 파동성과 입자성을 모두 가졌다고 받아들인다. 이것이 바로 빛의 파동-입자 이중성이며 이런 현상은 아주 작은 세계, 즉 미시세계에서만 일어나며 고전역학으로 설명하기에는 많은 오차가 있어 새로운 역학인 양자역학이 만들어진 것이다. 

 매우 오래전부터 빛의 정체에 대한 이야기는 끊임없이 이어졌다. 유명한 과학자뿐만 아니라 전공자가 아니라면 알지 못할 과학자까지 수 많은 사람들이 빛의 정체를 밝히려 애를 써왔고 그런 노력이 모여 결국 빛이 이중성을 갖는다는 내용이 현재의 이야기이다.  

글을 읽으면서 모르는 개념이 많아 이해하기 어려웠을 것이다. 사실 전공자도 이런 이야기 잘 모른다. 그냥 현재까지 과학에서 빛이 이중성을 갖는다는 내용이 포인트다. 여기까지 어려운 글을 읽어준 분들께 감사하다.  

____ 최채아 wirterchaea@gmail.com