[CBS부산 과학 인사이드] 상식과 직관에 반하는 양자론 오디세이 (3) 아인슈타인의 광양자 가설 - "빛도 양자다"
[CBS부산 과학 인사이드] 상식과 직관에 반하는 양자론 오디세이 (3) 아인슈타인의 광양자 가설 - "빛도 양자다"
  • 조송현 기자 조송현 기자
  • 승인 2022.06.20 00:00
  • 업데이트 2022.06.19 11:03
  • 댓글 0
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https://bit.ly/3KAgERY220412(화) 양자론 오디세이 (3) 아인슈타인 증판, 빛은 입자다-아인슈타인 광양자 가설

01. 자.. 이 시간에는
현대과학의 정수 
양자론의 세계..
함께 돌아보고 있습니다. 
양자론 오디세이! 
세번째 시간인데
자.. 오늘은 어떤 이야기 
나눠볼까요?


지난 시간에 양자란 무엇인가..
개념과 함께 
양자 개념이 탄생하게 된 
시대적 배경과 맥락에 대해 
얘기나눴는데요. 
여기서부터 이어갈까 합니다. 

 

> 양자의 탄생의 기원 요약해보면 다음과 같습니다.
 ⓵제철산업 : 온도와 빛깔 관계 정립 필요성 대두
 ⓶전기산업 : 가로등 불빛의 효율성 규명 필요 
 ⓷열복사, 흑체복사 연구 재점화 
 ⓸고전이론(통계역학의 에너지 등분배법칙) 문제 드러나 물리학계 비상 : 흑체(용광로)에서 나오는 빛의 에너지 총합이 무한대!! 이는 물리적으로 불가능
 ⓹막스 플랑크가 해결 : 전자기파가 ‘양자(quantum)’라 불리는 덩어리 형태의 에너지만을 흡수하거나 방출한다고 가정. 양자 용어의 탄생.

플랑크가 내세운 게 양자가설(quantum hypothesis)인데 빛이 지니는 에너지의 값은 그 진동수(ν)에 작용양자(플랑크 상수  ℎ)를 곱한 값(ℎν)의 정수(n)배만 가질 수 있다(E = nℎν).로 요약됩니다.

 

02. 네. 어려워지는데..
제가 이해한만큼 정리를 한번 해볼게요. 

흐르는 물이 사실은
원자라는 작은 알갱이로 
구성돼 있는 것처럼.. 

에너지 역시 연속적으로 흐르는 양이 아니라.
한 개 두 개 세 개 
셀 수 있는 최소단위를 갖는 
불연속적인 개념이다. 
그 최소단위가 바로 양자다.. 

이 개념을 만들어서 
고전물리학의 오류를 
뛰어넘은 사람이 바로 막스 플랑크다. 
 
어떻습니까? 맞나요? 


> 네. 그 정도면 훌륭합니다. 
에너지를 불연속적인
단위로 파악하는 것. 
역시 상식과 직관에 반하는 발상이죠. 
재밌는 건 플랑크마저도 
한동안 전자기파가 실제로 에너지 알갱이라는 
사실을 믿지 않았다는 겁니다. 
자신도 믿기 힘들 만큼 획기적인 발상을 한 거죠.
플랑크는 1900년 12월 14일에 열린 
베를린 물리학회의 역사적인 모임에서 
흑체복사 이론을 발표하는데요. 
과학계는 이날을 
양자물리학의 탄생일로 기록하고 있습니다. 


03. 본인도 믿기 힘들만큼의 
획기적인 발상이라..
양자물리학의 탄생이 미친 영향, 
그 의미도 정리를 해 볼가요?

 
실제로도 엄청난 변화를 
이끌어냈어요. 

- 이 이후로 ‘세상은 예전의 세상이 아니구나’ 
하는 생각을 갖게 되었죠. 
바로 에너지, 나아가 자연이 연속적이지 않다는 거니까요. 
연속적으로 이어진 것으로 보이는 흐르는 강물이나 
새끼줄도 미시적으로 보면 
물 원자 알갱이들로 끊어져 있죠. 
심지어 에너지와 시간도 그렇습니다. 
심지어 원인과 결과 사이가 매끄럽게 이어져 있다면 
인과율(원인-결과 관계)도 믿을 수 없게 된 거죠. 


04. 자.. 막스 프랑크의 양자가설로부터 
태동한 양자물리학.. 
이제 다음은 여정은 어딘가요?


- 네. 막스 플랑크의 '양자 가설'은 흑체복사 문제를 잘 해결해 주었지만 
‘도대체 양자란 무엇인가’라는 새로운 의문을 던져주었습니다.  
모든 사람들, 심지어 제안자인 플랑크 자신마저 
양자 가설에 의구심을 떨치지 못하고 있을 때 
한 젊은 물리학자만은 이를 진지하게 수용했습니다. 
그가 바로 혁명적인 천재 앨버트 아인슈타인입니다.
이번에는
아인슈타인의 광양자 가설로 넘어가보죠. 

먼저 문제 하나 낼 게요. 
아인슈타인의 노벨상 수상 업적은 무엇일까요?


05. 상대성이론 아닌가요? 
아인슈타인 하면 상대성이론이니까..


> 아닙니다. 광양자 가설입니다. 


06. 그런가요? 뜻밖이기도 하고 
생소하기도 한데..
그래도 그동안 공부한 게 있으니까요. 
일단 양자라는 말이 
눈에 들어오긴합니다.


> 그렇죠. 광양자 가설에도 양자가 들어 있습니다. 
광, 빛이 양자라는 말인데..
아인슈타인의 광양자 가설이 나오면서 비로소 
양자라는 용어의 의미가 또렷해지고 
물리학계에서 본격적으로 사용되기 시작했습니다.


07. 그러니까 빛을 알갱이.. 광자로 본 거잖아요. 
지금은 일반인들에게도 입자인 동시에 파동인
빛의 속성이 널리 알려져있지만..
당시에는 전혀 색다른 접근이었다구요?

 
> 네. 아인슈타인을 혁명적 천재라고 부르는 이유가 
여기에도 드러납니다.
특수상대성이론의 두 기둥 중 하나가 
‘광속불변의 원리’입니다. 
여기서 빛은 파동이며 
그 속도는 우리가 잘 알고 있는 초속 30만km인데,
 이게 누가 보더라도 똑같다는 게 광속불변의 원리입니다.

이렇게 빛은 파동이라고 생각하고 
불세출의 이론을 창안한 아인슈타인이 
이번엔 빛이 광자, 
입자라는 광양자 가설(light-quanta hypothesis)
을 내세운  거죠.


08. 왜 이런 가설을 세운걸까요? 
흑체복사 이론에서처럼
뭔가 풀리지 않는 
난제가 있었던 걸까요?


> 바로 맞습니다. 그게 광전효과(photoelectric effect)라는 건데요. 
금속판에 햇빛을 쪼이면 전자가 튀어나와요. 
근데 햇빛이 전자기파, 
즉 파동이라고 굳게 믿었기 때문에 풀리지 않는 문제가 
크게 두 가지가 있어요. 
하나는 파동이라면 전자가 떨어져 나오는 데 약간 시간이 걸려야 해요. 
원자에 붙어 있는 전자를 파동으로 흔들어야 하거든요. 
두 번째는 빛의 세기(밝기, 빛의 양)와는 관계없다는 거예요. 
빛의 종류 즉 특정 진동수 이상의 빛이어야 한다는 거지요. 


09. 그런데.. 빛을 알갱이로 가정하면.. 
이 문제가 풀리는 건가요? 

> 맞습니다. 그러니까 진동수가 큰 빛은 크고 무거운 구슬, 
진동수가 작은 빛은 가볍고 작은 구슬에 비유할 수 있겠습니다. 
벽에 수십 개의 풍선이 달려 있다고 가정해보겠습니다. 
작고 가벼운 구슬은 풍선을 흔들리게 할 수는 있겠지만 
터뜨리지는 못합니다. 
한꺼번에 수십 개를 던진다고 해도 
많은 풍선을 흔들리게 할 뿐 하나도 터뜨리지는 못할 것입니다. 
그러나 무겁고 큰 구슬을 맞은 풍선은 터지게 될 것입니다. 
풍선을 흔들리게 하는 데서 나아가 터지게 하려면 
(던지는 속도가 일정하다는 전제 하에) 
구슬이 어느 정도 크고 무거워야 하는 것입니다.

아인슈타인은 앞서 소개한 플랑크의 양자 가설을 빌려 와 
광전효과를 설명해 냅니다. 


10. 양자 가설을 동원했다는 것 자체가  
빛을 알갱이로 가정했다는 이야기로군요. 


> 그렇습니다. 바로 이 발상의 전환이 
당시로선 충격적인 개념적 혁명이었던 것입니다. 

파동이라고 굳게 믿었던 빛이 입자라는 아인슈타인의 발상은 
반대로 ‘입자로 믿고 있는 전자가 
파동이 될 수 있지 않을까’ 하는 가설로 
이어지면서 양자 세계에 대한 탐구가 본격적으로 시작되는 거죠.   


11. '빛이 입자이면서 파동인 것처럼. 
전자도 파동이 될 수 있지 않을까' 라는 질문..
저도 이제 이게 어떤 의미인지.. 이해가 갑니다. 
자.. 오늘도 시간이 아쉬운데..
다음 시간, 바로 이 질문부터 
이어가보도록 하죠. 

흥미로운 이야기 기대하겠습니다. 

자.. 지금까지 과학인사이드, 
과학스토리텔러 조송현 대표와 함께 했습니다. 

대표님, 오늘 말씀 고맙습니다~

<pinepines@injurytime.kr>