한 과학기술 노동자의 잡소리들

양자역학의 태동 : 빛에 대한 부정의 부정

빛이란 무엇일까? 기존의 물리학이 위기를 맞는 시기마다 빛이 무엇인지에 대한 해석을 둘러싸고 논란이 있었다. 뉴턴의 영향력 아래에 있었던 18세기 동안 빛이 작은 알갱이(미립자)로 구성되어있다고 믿었다. 하지만 1678년에 호이겐스(Christian Huygens)는 자신의 박사학위 논문인 “빛에 관한 논문”에서 뉴턴의 ‘미립자’이론에 맞서 빛이 마치 파도처럼 전파되는 파동이라는 주장을 내놓았다. 이 논문은 뉴턴의 그늘 아래서 빛을 보지 못하다가 100년이 지나 토마스 영(Young)의 빛의 회절/간섭실험을 거쳐 맥스웰에 의해 빛이 전자기파임을 증명되면서 다시 주목받았다.

19세기말 다시 빛에 대한 논란이 붉어져 나왔다. 과학이 막다른 길에 도달했을 때, 더 이상 그 사실을 설명할 수 없을 때, 그 토대는 혁명을 준비한다. 그리고 새로운 과학이 나타난다.

1890년대에 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Plank)는 흑체에서 나오는 빛(black body radiation)의 독특한 물리적 특성을 설명하기 위해 노력하였다. 모든 물질은 자신이 온도가 높을 때는 빛을 내고 낮을 때는 흡수하는 성질이 있다. 그러므로 모든 파장의 빛을 흡수하는 물체(검은 물체)는 반대로 모든 파장의 빛을 내놓기 때문에 흑체 보다 더 많은 에너지를 방사하는 물질은 없다. 이러한 생각으로 물리학자들은 빛을 모두 흡수하게 고안한 검은 상자를 흑체라고 불렀다. 아무튼 프랑크는 흑체의 온도에 따라 내보내는 빛의 스펙트럼을 관찰하였는데, 흑체의 온도가 증가함에 따라 그에 비례해서 빛의 색이 변하지 않았다. 고전이론으로 설명할 수 없었던 것이다. 1900년에 막스 플랑크는 이러한 현상을 설명하기 위해서 빛이 특정 크기를 갖는 다발(꾸러미, packet)로 가정 했고 이것을 '양자(quanta)‘라 불렀다. 이 이론은 뚜렷한 물리학적인 근거 없이 '운좋게 선택된 것'이었기에, 그는 그 근거를 찾기 위해, 심지어 자신의 이론을 부정하기 위해 노력했다.

그러나 1905년 당시 24세였던 젊은 과학자 아인슈타인은 빛(전자기파)은 입자와 같은 에너지 다발로 구성되어 있다는 플랑크의 이론을 받아들여 금속판에 빛을 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 광전자 현상을 정확하게 해석하여 발표하였다. 이후에 이 빛의 다발을 빛의 양자(quanta)화로 광자(photon)라고 불렀다. 이로서 빛이 다시 입자적 성질을 가지고 있다는 것이 정설로 받아들여졌다.

여기에서 우리는 부정의 부정의 법칙이 작동하고 있음을 알 수 있다. 빛에 대한 뉴턴의 입자 이론은 맥스웰의 파동이론에 의해 부정되었고 다시 이것은 막스 프랑크와 아인슈타인에 의해서 새로운 입자 이론으로 부정되었다. 처음 보기에는 모든 것이 다시 원점으로 돌아온듯 보이지만 다시 구식의 뉴턴 이론으로 돌아간 것은 아니다. 질적인 도약으로 과학에서 진정한 혁명이 일어난 것이다. (다음호에 계속)