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by 지나온 시간들 Aug 25. 2022

빛은 어떻게 생기는 걸까?

일상생활에서 빛이 없다면 어떠한 일이 일어날까? 우리의 일상적인 삶뿐만 아니라 자연, 아니 우주 전체에서 빛이 없다면 어떻게 될지는 상상할 수조차 없을 것이다. 빛은 아마도 우주에서 가장 중요한 존재일 것이다. 


  빛은 도대체 어떻게 만들어지는 것일까? 그것을 알기 위해서는 물질의 가장 근원적인 원자의 세계를 이해해야만 한다. 우주의 물질을 이루는 가장 기본적인 입자는 원자이다. 물론 현대 물리학에서는 쿼크와 렙톤을 더욱 근본적인 입자로 생각한다. 하지만 빛의 생성원리는 원자의 세계를 탐구하는 것으로 족하다.


  빛이 생기는 근본적인 원리는 물질의 상태와 관계되어 있다. 원자는 가운에 양성자와 중성자가 있는 원자핵이 존재하고 그 주위를 전자가 돌고 있다. 물질의 상태는 일반적으로 전자의 운동과 관련되어 있으며, 빛의 생성 또한 전자가 중요한 역할을 한다. 


  전자의 운동 상태에 따라 물질은 들뜬 상태에 있거나 바닥 상태로 존재한다. 빛은 전자가 들뜬 상태에 존재하다가 바닥 상태로 이동할 때 생기게 된다. 이러한 빛은 들뜬 상태와 바닥 상태의 전기 에너지 차이에 해당된다. 


  양자역학에 의하면 들뜬 상태에 있는 전자의 파동함수와 바닥 상태에 있는 전자의 파동함수 사이에 간섭 현상이 일어난다. 간섭 현상이 일어났을 때 외부에서 전자의 분포를 보면 대부분의 시간에 어느 한쪽에 있다가 다음 시간에 다른 쪽에 분포한다. 이것은 밖에서 볼 때 전자의 뭉치가 위에서 아래로 빠르게 운동하는 것으로 보인다. 즉 전자가 가속운동을 하는 것이라 생각할 수 있다. 


  전자기학 이론에 의하면 전하가 가속운동을 할 때 빛을 방출한다. 전하를 가진 물체가 등속운동을 할 때는 전기장이 일정하게 뻗어나간다. 즉, 전기장이 시간상으로 변하지 않는다. 하지만 전하가 가속운동을 할 때는 그 접선 방향으로 전자기장이 뻗어나가게 된다. 이것이 바로 빛인 것이다. 


  현상적으로 달라 보이지만 흑체 복사일 경우에 나오는 빛은 분자를 들뜬 상태로 올리는 열에너지가 바로 빛으로 만들어진다. 


  우주에 빛이 없었다면 어떠했을까? 아마 무한히 넓은 우주 공간에 아무것도 존재하지 않았을지도 모른다. 



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