빛은 파동일까? 입자일까?

저번주에 흑체복사에 대해서 배웠는데요. 이번주엔 빛이 광자이면서, 빛이 광자라는 것이 무얼 의미하는지에 대해 알아보았습니다. 특히 과학을 통해 우리가 삶을 대하는 자세나 사유하는 방식을 깊이 생각해볼 수 있게 해주는 부분이 재밌었어요! 그럼 시작해볼게요!

막스 플랑크 공식

저번주에 흑체 복사에 대해서 배웠는데요. 흑체 복사 실험 당시 열과 빛 에너지의 상관관계를 찾는 연구가 이 당시 활발히 진행되었다고 해요. 기존에 열에너지와 빛에너지의 상관관계를 나타내는 식은 있었으나, 해당 수식들이 낮은 온도에서만 성립하거나, 높은 온도에서만 성립하였다고 해요. 그래서 막스 플랑크가 이 2개를 합친 수학식을 찾아냈습니다.

그것은 바로, E=nhν 입니다.

• E = 빛에너지
• N = 정수 (0, 1, 2, 3, ...)
• h = 플랑크상수
• ν= 주파수(진동수)

그렇다면 이 식이 의미하는 것은 무엇일까요?

1. 빛 에너지는 불연속적인 값을 가짐
2. h는 나뉘어지지 않는 빛에너지의 최소 단위. h라는 상수값 있다는 건, h라는 값 아래로 떨어질 수가 없다는 것. 즉, h보다 작아질 수 없고 커지더라도 h에 대한 배수로 값이 커짐
3. 빛에너지는 주파수(진동수)에 비례함

즉, 빛은 불연속적인 값이고, 나뉘어지지 않는 자신의 최소 단위가 있으며, 그래서 1개, 2개, 3개 .. 등으로 셀 수 있다는 것입니다. =즉, "빛은 양자화 되어 있다"고 볼 수 있는 거죠. 빛이 입자화 된 것을 '광양자'라고 부릅니다.

빛에너지가 주파수에 비례한다는 것은 어떤 의미일까요?

사실 플랑크도 이 수식을 만들어놓고 믿지 못했다고 합니다. 빛은 파동이라는 것이 실험적으로 이미 입증이 됐는데, 본인의 수학식을 해석하면 빛은 입자처럼 보이는 것이에요. 그래서 플랑크는 이것이 빛의 근본적 성격이 아니라고 봤어요. 빛이 양자화 되어 있다는 것은 본성이 아니라, 빛이 물질과 상호작용 할 때 나타나는 효과라고 생각했어요.

하지만 아인슈타인은 본인의 3월 논문에서 "빛이 갖고 있는 물질과의 상호작용의 효과가 아니라, 빛의 본성을 표현한다"라고 말했습니다. 아인슈타인은 레나르트의 '광전효과'의 실험을 통해 뭔가가 풀렸는데요.

레나르트의 '광전 효과'

레나르트의 광전효과는 파동의 에너지가 진폭과 파장 중 어떤 것과 상관관계가 있는지 보기 위한 실험이었어요. 기존에는 '진폭'이 파동의 에너지랑 비례한다고 생각해왔어요.

이 실험은 얇은 금속판에 빛에너지를 쏘는데, 빛에너지에 의해 전자가 튀어나오는 현상을 '광전 효과'라고 합니다.

'진폭이 커지면 전자의 운동량이 커질 것이다'라는 가설을 세웠는데, 실험 결과는 '진폭이 커져도 전자의 속도(운동량)은 그대로이고, 더 많은 전자가 튀어나왔다는 것'입니다.


그래서 진폭이 아니라 진동수를 높였더니, 전자의 속도가 빨라진 것을 확인할 수 있어요. 파동의 성격으로는 이 결과를 이해할 수 없었어요. 그러나 빛을 양자화하면 설명할 수 있게 됩니다. 왜냐하면, 입자화된 빛은 진동수에 비례해서 커지키 때문에(E=nhν) 빛을 양자라고 생각하면 이 실험이 제대로 이해되는 것이죠.

또한 빛이 파동이라면 연속적인 값이기 때문에 전자의 속도도 연속적으로 쭉 증가해야해요. 근데 실험 결과, 전자의 속도가 띄엄띄엄 불연속적으로 증가했어요. 전자의 속도가 불연속적으로 증가한다는 것은 빛이 진동수에 영향을 받는다는 것을 뜻하는 것이죠.

그러므로 레나르트 '광전 효과'를 빛이 광양자라는 입장으로 이해하면 이 실험에는 아무런 모순이 없게 됩니다.

<빛이 양자화 되어있다>가 의미하는 바는 무엇일까?

1. 자연에서는 모순이 양립 가능하다.
기존에 빛은 파동이라고 생각했는데, 위와 같은 현상으로 빛은 파동이면서 입자적성격도 지님을 확인했습니다. 그렇다면 연속적이면서도 불연속적인 성격을 지녔다는 것이죠. 이 말 자체가 우리에게는 모순적으로 보여요. 그러나 자연은 이 모순이 함께 조화를 이루고 있습니다. 인간의 시선으로는 모순적으로 보이는데, 자연에서는 이것들이 함께 있어야 된다는 것이에요. 마치 우리가 유토피아를 생각하기엔 악의 무리가 사라져야 이상적인 사회가 된다고 여기는데, 악의 무리가 완전히 사라지면 이상적이지도 않을 뿐더러 그게 자연의 모습도 아니라는 것입니다. 더 나아가, 악한 것이 있기 때문에 선한 것도 있을 수 있는 것입니다. 이걸 개인에게 적용시키면, '나에게 나쁜 일만 없었다면 더 잘됐을텐데'가 아니라 그 나쁜 것까지 포함해서 내가 있는 것이지, 그걸 빼고는 내가 안 됩니다. 이런 관계를 '상보적 관계(Complementary)라고 해요. 서로가 서로를 보충해주고 상호 관계 속에서 이 자연이 펼쳐집니다. 한 쪽이 사라지면 다른 한 쪽도 사라집니다. 즉, 고통이 사라지면 기쁨도 사라지는 것처럼요.

2. 결과물의 '질'은 색깔, 곧 리듬이 바뀌어야 한다.
주파수는 빛의 색깔과 관련이 있어요. 보라색쪽으로 갈수록 빛에너지는 높아집니다. 그래서 에너지의 차이를 만들어내려면 색깔이 달라져야 해요. 색깔이 달라지기 위해선 진폭이 아닌 주파수, 즉 '리듬'이 달라져야 합니다. (주파수는 1초에 파장이 몇 개 들어있는가 입니다) 색깔과 리듬이 달라져야 운동량(속도)가 달라지게 됩니다. 근데 우리는 리듬을 바꾸지 않고, 진폭(힘)을 크게 해서 뭔가 상황을 바꾸려고만 하죠. 리듬이 바뀌는 건 색깔이 바뀌는 거고, 색깔이 바뀌어야 에너지가 바뀝니다. 에너지의 상태가 바뀌어야 내가 하는 작업물의 결과물의 질이 바뀌게 됩니다.

3. 빛은 전체로서만 흡수되고 방출된다.
빛은 h라는 불연속적 상수값으로 움직입니다. 그러므로 사이값을 가질 수 없어요. h가 빛의 단위로 생각하면 돼요. 예를 들어, 전자의 입장에서는 알갱이와 같은 빛을 반으로 쪼개서 받을 수가 없어요. 오로지 전체로서만 작용이 일어납니다.

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빛이 알갱이와 같은 입자적 성격도 가졌다니! 여러분은 상상이 되시나요? 저는 빛에 대한 수업을 듣고서 제 주변에 있는 사물들과 빛이 낯설게 느껴졌어요. 전등을 바라볼 때, 모니터를 바라볼 때, 해를 볼 때 등. 뭐랄까. 당연하고 익숙한 것들이 당연하지 않게 느껴졌습니다. 또한 과학적 실험과 수학공식을 우리 삶에 끌어와 어떤 식으로 적용해볼 수 있을지 고민해보곤 하는데요. 한 번도 사유해보지 못 했던 방식으로 과학을 삶과 사유로 끌어올 수 있어서 굉장히 신선했습니다! 특히 자연에서는 모순이 양립 가능하다는 시선을 친구에게 설명했는데, 친구가 잘 받아들였을지 모르겠네요ㅎㅎ