물리학이 말하는 빛
물리 덕후가 소개하는 과학-기술
빛의 속도로 차여본적 있나?
빛에 대해서 빛의 속도로 소개해드리겠습니다이번 주제는 그저 빛...
아이돌 그룹의 외모가 열일하듯, 우리가 이렇게 살아숨쉬고 움직일 수 있는 이유는 바로 빛의 열일 때문입니다. 어둠의 위험함을 두려워했던 인류는 빛에 대해 지대한 관심이 많았습니다. 기독교 성서에서 신이 가장 먼저 창조한 것도 빛이며, 그 유명한 에디슨의 대표적 발명품 역시 전구인 것을 보면 그렇달까요.
그만큼 빛에 대해서는 오랫동안 연구되었고, 지금도 연구중입니다. 빛에 대해서 우리는 아직도 모르는 것이 많습니다. 이 빛을 소개드리기 위해서 지금까지 많은 글을 썼는지도 모르겠습니다. 아마도 가장 많은 선행지식이 필요한 내용이 아닐까 싶습니다. 그만큼 많은 내용을 욕심있게 담고 싶었습니다.
아래 글을 먼저 읽고 오시는 것을 추천합니다.
자 그럼, 이제 물리학 역사에서 빛이 어떻게 연구되었는지를 쭉 소개드리려고 합니다. 좀 깁니다.
0. 빛에 대한 연구의 역사는 다양한 관점들의 대립이다.
역사적으로 빛을 설명하기 위해 많은 관점들이 도입되었습니다. 파동설, 입자설 등등...이런 이유로 앞선 포스팅에서 파동과 입자에 대해 미리 설명을 해두었습니다. 본격적으로 시작하기 전에, 질문 하나. 물에다가 빛을 쏘면 어떤 경로로 갈까요?
빛은 시간이 가장 적게 걸리는 경로로 진행합니다.* 이것을 페르마의 원리라고 부릅니다. 달리 말하면, 빛의 이동은 어떤 특정한 원리에 의해서 지배된다는 뜻입니다. 빛은 마치 그 원리를 만족하기 위해서 행동합니다.
어떤 계가 특정 원리를 만족하는 방향으로 움직인다고 생각하는 이론을, 라그랑지안 역학이라고 합니다. 페르마의 원리는 라그랑지안 역학과 관련이 있습니다. 페르마의 원리는 입자설, 파동설의 대립이 심화된 뉴턴 등장 훨씬 이전부터 알려진 내용입니다. 이렇게 오래되었음에도 불구, 이 원리는 현대에 들어서도 굉장히 중요한 관점으로 인정받고 있습니다.
(*페르마의 원리는 이후 조금 수정되는데, 빛은 OPL이라는 양을 시간 미분했을 때 0이되는 경로로 진행한다.)
페르마의 원리, 빛은 최단 시간 경로로 이동한다.1. 파동설과 입자설의 경쟁
그 유명한 F=ma(힘-가속도) 법칙을 주장한 뉴턴은 빛이 입자, 알갱이로 이루어져있다고 했습니다. 그도 그럴것이, 뉴턴의 힘-가속도 법칙은 힘을 가해줄 대상이 있어야만 성립하는 이론이기 때문입니다. 그런 이론을 발표한 뉴턴이었으니, 뉴턴은 빛이 구분 가능한 대상인 입자처럼 행동한다고 생각할 법하죠?
뉴턴 당시에 빛이 입자라고 생각한 사람들만 있지는 않았습니다. 빛이 파동이라고 주장한 학자들 역시도 많았습니다. 빛이 파동처럼 진행한다는 하위헌스(우리에게 익숙한 호이겐스), 스프링으로 유명한 훅 등등이 바로 그들이었죠. 하지만 그들의 주장은 뉴턴의 명성에 밀리고 말았습니다. 운동의 3법칙과 만유인력을 도입해 세계에 대한 인식을 바꿨던 뉴턴은 당시 최강이었습니다. 그의 권위에 힘입어, 입자설이 지지를 받게 되었습니다.
예나 지금이나 이름빨이란... 입자설 판정승(출처: 인벤)2. 파동설의 반격 : 영의 이중 슬릿 실험
빛이 만약 파동이라면, 파동의 성질을 보여줘야만 합니다. 과학에서 오피셜로 인정받기 위해서는 실험 결과가 있어야하겠죠? 그렇지 않으면 뇌피셜일 뿐. 바로 그런 실험결과가 파동 쪽에서 등장하고 말았습니다. 파동의 중요한 성질인 간섭을 보여주는 결과가 나왔던 것이죠.
영의 이중슬릿 실험 결과, 밝은 무늬와 어두운 무늬의 반복위 실험을 토마스 영의 이중슬릿 실험이라고 합니다. 빛을 작은 슬릿에 통과시킨 다음에 다시 두 갈래로 나누어서 통과시킵니다. 나눠진 두 파동이 서로 위상차를 갖고 간섭합니다. 그 결과 특정 영역에서는 보강간섭을 해서 밝고, 특정 영역에서는 어둡게 됩니다. 이 무늬가 번갈아서 나타납니다. 이는 분명히 간섭을 나타내고, 빛의 성질 중 파동의 성질로 설명 가능합니다. 파동설은 이 실험 이후에 큰 지지를 받게 됩니다.
3. 파동설의 쐐기: 맥스웰의 방정식
그러던 와중, 파동설의 편에 선 괴물이자 외계인이 나타났습니다. 바로 엄청난 업적을 남긴 맥스웰입니다. 우리에게 친숙한 맥스웰은 커피지만 이 맥스웰은 +와 -전하가 끌어당기는 힘, 그리고 자석이 서로 당기는 힘을 분석해서 통합한 이론을 제시했습니다. 이 둘을 전기장과 자기장이라고 부르는데, 배틀그라운드에서 자기장을 피해 열심히 파밍하셨던 분들이라면 들어보셨을 법합니다. 그런데 이게 빛과 무슨 상관이냐고요?
맥스웰이 통합한 전자기장의 방정식을 풀면, 사인과 코사인 파동이 됩니다. 그리고 이때 속력이 빛의 속력이었던 것이죠. 외계인 맥스웰은 빛이 전자기장 파동이라고 주장하였습니다. 전혀 상관없어 보이던 빛, 전기, 자석이 하나의 이론으로 통합되어버렸습니다. 게다가 이 이론은 너무나 막강해서, 오늘날까지도 많은 현상을 설명하는 초강력이론입니다. 우리가 쓰는 통신, 휴대폰, 전기 등등...모든 것은 이 외계인에게 빚을 지고 있는 셈이랄까요.
빛은 전자기장 파동이라고 주장한 맥스웰맥스웰을 외계인이라고 소개할만하지 않나요? 물리학의 역사를 굳이 1부와 2부로 나눈다면, 맥스웰은 1부 보스이자 끝판왕입니다. 이 맥스웰까지의 물리학을 고전 물리학이라고 합니다. 맥스웰의 등장으로 빛에 대한 논란은 종결된 듯 싶었습니다. 하지만 아직 끝나지 않았습니다. 이제부터는 읽는 분들의 멘탈을 박살내는 신시대의 서막이 열립니다. 20세기의 물리학은 우리의 상식을 깨부수면서 시작하니까요.
여기부터는 진짜 비상식적인 내용이 등장하므로 주의해주시길.
4. 현대 물리의 시작, 아인슈타인의 등장
파동은 에너지를 공간으로 전파합니다. 맥스웰 때까지 파동은 반드시 전파하는 매개체, 매질이 있어야한다고 생각했습니다. 맥스웰은 전자기파를 예측하면서 그 매질 역시도 존재할 것이라고 생각했고, 그것을 에테르라고 불렀습니다. 하지만 어떤 실험에서도 그 에테르가 존재한다는 증거를 찾을 수는 없었습니다.
맥스웰을 비롯한 과학자들은 에테르라는 매질을 기준으로 빛이 움직인다고 생각했습니다. 그 결과 관측하는 사람이 에테르에 대해서 상대적으로 움직이는 만큼, 빛도 느리거나 빠르게 보일 것이라고 가정했었습니다. 그러나 이러한 가정을 한 실험은 번번이 실패하고 말았습니다. 그러니까 빛은 뭔가 이상한 파동이라는 것을 누군가 눈치챌 법도 했죠.
이 와중에 불멸의 천재 아인슈타인이 20세기와 함께 등장했습니다. 아인슈타인은 빛의 속력이 어디서 누가 봐도 똑같다고 주장했습니다. 따라서 기준이 되는 에테르는 없다고 주장합니다. 빛은 특별합니다. 게다가 이 주장에 따라오는 결과 역시도 놀라웠습니다. 시간과 공간이 관찰자에 따라 늘기도 줄기도 하는 가변적인 양이 되어버린 것이죠.
5. 빛이 이상한 파동이라니, 빛은 입자인데? 빛의 입자설 재주장
아인슈타인으로 인해 세계는 혼돈에 빠졌습니다. 우리가 알고 있던 시공간과 빛의 개념을 완전히 바꾸어놨기 때문입니다. 설상 가상으로 빛의 파동설엔 또다른 위기가 닥쳤습니다. 파동설로 설명할 수 없던 현상이 발견되었기 때문입니다.
하나는 흑체복사입니다. 이 흑체라는 것은 빛을 방출하는 덩어리 같은 것으로, 쉬운 예로 태양과 같은 별이 있습니다. 혹시 잡지 같은 곳에서 별의 온도에 따라서 색깔이 달라진다는 내용을 본적이 있으신가요? 아주 뜨거운 별은 파란 빛을 냅니다. 그런데 이 온도와 빛 색깔의 관계를 파동이론으로는 도무지 설명할 수가 없었습니다.
흑체복사: 별 온도에 따른 색깔, 파동이론으로는 설명 불가 (출처: 천문우주지식정보)
광전효과, 빛의 입자설 재주장(출처: 줌 지식백과)또다른 하나는 광전효과입니다. 빛을 금속에 쏴주면 전자가 튀어나오는 현상인데요, 이 역시도 파동이론으로는 설명할 수 없었습니다. 막스 플랑크와 아인슈타인은 빛의 입자설을 다시 주장했습니다. 파동의 에너지는 연속적인데 이는 구분가능한 단위가 있는 입자와는 다릅니다. 플랑크와 아인슈타인은 빛은 마치 더는 쪼개질 수 없는 입자처럼 행동한다는 주장을 합니다. 이것을 빛의 양자화(quantization)라고 합니다. 여담이지만 아인슈타인에게 노벨 물리학상의 영예를 안긴 공은 바로 빛의 양자론 도입입니다.
중간점검을 해봅시다.
이쯤되면 빛이 도대체 무엇인지 헷갈립니다. 맥스웰이라는 외계인에 힘입어 빛은 파동이었습니다. 그런데 빛은 또다시 입자라니. 이는 자연 현상이 파동 아니면 입자 둘 중 하나라는 흑백논리에 대한 성찰을 하게 합니다.
우리가 얼마나 불완전하게 세상을 이해하고 있는지를 돌아보게 된달까요.
6. 또다른 충격적인 결과, 영의 이중슬릿 실험에서 확인한 입자성-파동성
처음 읽는 분들이라면 멘탈이 거의 남아나시지 않았겠지만, 아직 양자역학의 세계에 제대로 발을 들이지도 않았습니다. 아까 파동설의 결정적 증거가 되었던 영의 이중슬릿 실험을 다시 호출해봅시다.
빛의 입자성을 확인하지 않으면, 빛은 두 슬릿을 동시에 통과해서 간섭무늬가 나타난다.이 실험에서는 대표적으로 빛의 파동성이 드러납니다. 간섭무늬 때문입니다. 그런데 만약 빛을 굉장히 잘 조절해서, 빛 입자 하나를 쏴준다면 어떨까요? 빛 입자 하나가 이중 슬릿을 통과할 때, 둘중 어느 슬릿을 통과했는지 확인하지 않는다면 그 빛은 간섭무늬(파동성)를 나타냅니다. 즉, 빛 입자가 어느 슬릿을 통과한지 우리가 모른다면(입자성을 확인하지 않는다면), 빛 입자는 마치 둘 다 동시에 통과한 것처럼 행동합니다. 충격적인 결과입니다. 빛 입자를 하나만 쏴도 간섭 무늬가 나타난다는 것은, 빛 입자가 자기 스스로와 간섭한다는 것을 의미하기 때문입니다. 간섭현상은 빛 입자의 입자성을 확인하지 않을 때, 빛이 두 슬릿을 동시에 통과하고 간섭하면서 나타나는 파동적인 성질입니다. 빛이 마치 두 공간에 퍼져나간 것처럼 되기 때문에 파동의 성질을 나타낸다고 볼 수 있습니다.
산넘어 산인 내용이 이어집니다. 같은 실험을 반복해볼까요? 이번엔 우리가 두 슬릿 중 한 곳에서, 빛 입자가 어디로 갔는지를 감지하는 감지기를 설치했다고 합시다. 그러면 우리는 빛이 어느 슬릿을 통과해서 이동했는지를 알 수 있습니다. 빛 입자가 특정 궤적을 그리며 이동한 것을 찾은 셈이므로, 이 경우에는 특정 공간에 존재하는 입자성을 확인한 겁니다. 그러면 놀랍게도, 간섭무늬(파동성)가 사라집니다. 다시 빛 입자 하나를 쏴서 어디로 갔는지 확인하지 않으면, 간섭무늬는 또 나타납니다.
빛이 어디로 갔는지 확인하면 간섭은 없어진다.
빛의 입자성과 파동성을 동시에 확인할 수 없다. (출처: 한국광학회)너무나 놀랍고도 충격적인 결과인가요? 빛의 파동성과 입자성을 동시에 확인할 수가 없습니다. 이 실험결과는 우리가 무엇인가를 확인, 측정한다는 것의 의미를 다시금 생각하게 합니다. 측정하기 이전의 빛은 동시에 파동이기도 입자이기도 한 무엇입니다. 그런데 우리가 어떤 행위를 해서 거기에 개입하는 순간 우리는 파동성과 입자성을 결정하게 됩니다. 이것이 바로 양자역학입니다. 측정하기 전, 가능한 모든 상태는 동시에 존재합니다.
7. 입자론과 파동론의 절충: 양자장론
빛이 파동과 입자 둘 중 하나로만 해석되는 것이 아니라면 빛이 입자설과 파동설의 통합을 누군가는 꿈꾸지 않았을까요?
우선 맥스웰에 의해서 전기, 자기적 현상과 빛이 통합되었습니다. 빛은 전자기장이 진동하는 파동이되었습니다. 그러나 이것은 양자역학을 전혀 고려하지 않은 고전적인 관점입니다. 빛 입자가 대체로 많을 때만을 잘 설명할 수 있는 이론인데요. 빛 하나하나가 구분될 때에도 잘 맞는 양자적인 이론이 필요합니다.
물리학자외계인들은 열심히 머리를 굴렸습니다. 결국 상대성이론을 포함한 빛을 양자역학의 입장에서 재해석한 버전이 출시됩니다(1930~40년). 이것을 양자장론이라고 부릅니다. 이제 전자기장 진동은 파동의 성질(연속적인 진동)을 일부 버리고 아닌 입자의 성질(단위가 있어서 나뉘어지는)을 띄게 됩니다.
이 이론에 따르면 빛이 알갱이 단위로 생성되고 소멸하는 것을 설명할 수 있습니다. 빛 입자가 전자로부터 어떻게 방출되는지, 흡수되는지를 깔끔하게 제시할 수도 있게 됩니다. 동시에 파동으로서의 빛의 성질도 포괄할 수 있습니다. 빛은 이제 전자기장의 진동이 양자화된 입자라는 관점이 새롭게 등장한 겁니다. 이것은 파동으로서의 진동과 입자로서 단위가 구분되는 양을 조율한 관점이라고 보시면 됩니다.
8. 파인만의 양자전기역학(QED)
특별히 양자장론으로 빛을 설명한 이론을 QED, 양자전기역학이라고 합니다. 파인만이라는 유명한 물리학자괴물는 빛의 전파를 입자의 궤적으로 분석하였습니다. 물론 양자역학을 더해서 말이죠. 이게 한 1950년즈음입니다.
그렇다면 공간에서 빛은 어떤 경로로 진행할까요? 아까 시작할 때 드렸던 질문과 똑같은 질문을 드리겠습니다. 물에 빛을 쏘면 어느 경로로 이동하게 될까요? 아까의 정답은 페르마의 원리를 만족하는 경로였습니다. 빛은 특정 원리를 만족하는 경로로 이동하는 원리였죠. 눈치채셨겠지만, 그 원리의 QED 버전을 소개드리려고 합니다.
파인만의 QED에 따르면, 빛은 확률 입자입니다. 빛 입자는 가능한 한 모든 경로를 동시에 다 확률적으로 이동합니다. 어? 그런데 실제로 빛의 이동경로를 우린 알 수 있지 않나, 그리고 그건 특정 방향인데? 이거 순 사기꾼이구만!
그러나 원자 정도로 크기가 작아지면, 이 모델을 사용할 수 밖에 없습니다. 이 모델은 빛과 원자의 상호작용이 두드러지는 영역을 잘 설명하기 때문입니다. 빛은 확률적으로 모든 경로를 동시에 이동합니다. 그리고 그 중에서 시스템의 근본적인 원리에 가까운 것들이 현상에 가장 크게 기여하게 됩니다. 빛에 있어서는 그것이 페르마의 원리입니다. 이 원리에 가까운 경로의 빛들이 제일 많이 기여함으로써, 우리에게 보이는 현상은 이 원리에 근접한 이동 경로를 따른다는 이론입니다.
그래서 빛의 진행경로는 페르마의 원리를 만족하는 것처럼 보인다고 하는데요. 이것 참 알쏭달쏭한 내용입니다. 파인만은 어떠한 시스템을 지배하는 원리, 라그랑지안 역학을 확률세계로 끌어들인 겁니다. 빛 입자와 그 원리가 양자역학의 세계로 들어온 것이죠. 그리고 이 빛-양자역학은 (이견은 조금 있으나) 오늘날까지 잘 쓰이고있습니다.
빛이 양자역학의 확률세계로 편입되었다. 그렇다고 이게 도박은 아니다.여전히 알쏭달쏭한 빛
여러분은 이제 어딜가서도 빛을 소개할 수 있는 빛잘알이 되셨습니다.
하지만 이 글을 읽고난 독자 분들의 반응을 저는 확신할 수 있습니다. 읽고나니 도대체 빛이 뭔지를 모르겠다는 분들이 더 많으실것 같습니다. 사실 그게 정답이 아닐까요. 과학도 모르는게 너무나 많습니다. 모르는게 많으니까 이토록 다양한 관점을 자유롭게 주장할 수 있는 게 아닐지..?
빛이 입자와 파동의 괴리를 어느정도는 극복했다고 하더라도, 아직도 많은 논란의 여지가 있긴 합니다. 일단 장이라든가, 확률이라든가 하는 모호한 개념들이 바로 그것입니다. 게다가 빛 뿐만아니라 우리 주변의 다른 입자들의 파동성을 발견하면서, 문제는 더 심각해졌습니다. 입자가 진짜 실체인지 장이 실체인지 등등...
단순해보이는 빛만 해도 이리 복잡하거늘..그만큼 우리는 자연에 대해서 잘 모릅니다.
사견이지만, 사실 과학자들은 자연의 비밀을 찾아내는 사람이 아니라 최대한 그럴듯한 설명을 만들어내는 사람들이라고 생각합니다. 물리학자라는 외계인과 괴물들의 노력에 힘입어 여기까지 세상을 해석한 것만 해도 대단합니다. 박수! 고도의 문명과 기술의 발전을 견인할 수 있을만큼 그럴듯한 설명을 개발했다는 뜻이니까요! 그 중심에는 빛에 대한 이야기가 있다는 것을 알아주셨으면 좋겠습니다.
