[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

빛의 탄생과 흐름, 인류의 오랜 연구와 성찰로 그 비밀 점차 밝혀져

 

‘빛’은 우주 탄생의 순간부터 지금까지 항상 우리 주변에 있는, 그래서 우리의 생활에서 뗄래야 뗄 수 없는 그런 친근한 것이라 할 수 있을 것입니다.

 

하지만, ‘빛’의 실체가 무엇인가를 인간이 알아내는 데에는 매우 오랜시간이 걸렸으며, 사실 현재도 ‘빛’에 대한 모든 것을 우리가 알고 있는 것이 아니기에 많은 분야에서 현재까지도 활발히 연구되고 있습니다.

 

아인슈타인 이전의 고전 물리학의 관점에서 우주의 모든 것들은 입자(matter)와 파동(wave)으로 구분될 수 있습니다. 입자는 질량과 부피를 갖는 모든 것들을 일컫는 말이며, 파동이란 매질을 통해서 에너지를 전달시키는 물리적 현상을 뜻합니다.

 

원자, 전자, 양성자, 그리고 이러한 알갱이들로 이루어진 모든 물체들을 입자라 볼 수 있으며, 소리(sound), 지진파(seismic wave) 등이 파동에 해당합니다. 세상의 모든 것들은 입자가 아니면 파동이라고 보았기에, 과학자들은 과연 ‘빛’이 입자인지 파동인지를 파악하기 위한 오랜 노력을 해왔습니다.

 

빛을 호수에 퍼져나가는 물결과 같은 파동으로 이해하고자 했던 과학자로는 17세기의 네덜란드의 과학자 호이겐스(Christiaan Hygens, 1629-1695)를 들 수 있습니다. 물론 고대 그리스시대의 아리스토텔레스와 같이 호이겐스 이전에도 빛을 파동의 전달로 이해한 사람들도 있었지만, 가장 과학적인 접근으로 처음으로 빛의 파동성을 설명한 과학자는 호이겐스라고 할 수 있습니다.

 

그는 1678년에 발표된 “빛에 관한 논술(Traité de la lumière)”이라는 논문을 통해서 호수 표면에 돌이 떨어졌을 때 생기는 동그란 물결과 비슷한 구형파(spherical wave)의 중첩현상을 이용해서 빛의 굴절 등과 같은 빛의 특성들을 설명해 냈습니다.

 

하지만, 동일 시대에 이와는 정반대로 빛을 ‘입자’들의 흐름으로 설명한 과학자도 있었는데, 이는 바로 중력으로 우리에게 친숙한 뉴튼(Isaac Newton, 1643-1727)이었습니다. 뉴튼은 어두운 동굴에 작은 구멍을 통해서 빛이 들어온다면 빛은 동굴 내부의 전공간으로 퍼지지 않고, 강한 빛줄기로 직진성을 보여주는데, 이것이 빛이 입자라는 증거라고 설명을 했습니다.

 

이와 같이 모든 사람들이 당연하다고 생각하고, 이미 알고 있는 현상에서 그만의 통찰력을 통해서 빛의 성질을 생각해 낼 수 있다는 것이 뉴튼의 천재성을 보여주는 단적인 예라고 할 수 있을 것입니다. 17세기에는 이 두 과학자의 의견이 첨예하게 대립했지만, 이후 과학계는 뉴튼의 주장을 따라서 빛은 입자들의 집합체라고 생각을 해왔습니다.

 

이러한 과학계의 기류에 커다란 변화를 준것은 바로 영국의 과학자 토마스 영(Thomas Young, 1773-1829)에 의해 1801년 최초로 행해진 이중슬릿 실험(double-slit experiment)의 결과였습니다.

 

이 실험은 동일한 진동수의 빛을 슬릿을 통해 통과시키면 스크린에 물결무늬가 나타나는 것을 보였는데, 이는 파동이 갖는 중요한 성질인 회절(Diffraction), 간섭(Interference) 현상만으로 설명이 가능한 것으로 빛이 입자가 아니라 파동이라는 것을 보여준 역사적인 실험입니다.

 

현상을 이용한 설명이 아니라 실제 실험의 결과로 도출된 결론이기 때문에 이때부터 과학계는 이의없이 모두 빛은 파동의 일종이라는 것에 의견을 함께 하고서 빛을 전달시키는 매질(medium)을 찾기위에 모두 혈안이 되기 시작합니다. 파동은 매질을 통해서 에너지를 전달하는 것이라고 앞서 설명드렸는데, 이를 다르게 표현하면 파동은 매질없이 이동이 불가능하다는 것입니다. 예를 들면 우리의 말소리는 공기 분자들을 매질로 삼아 이동하여 상대방의 귀속 고막에 에너지를 전달하는 것이기 때문에 만약 진공 상태에서 말을 한다면, 음파가 전달되지 못하기 때문에, 상대방은 그 말을 전혀 들을 수 없습니다.

 

이 내용을 토마스 영의 실험을 통해 파동이라는 것이 밝혀진 ‘빛’에 적용해 보자면, 빛은 파동이기에 매질을 갖고 있어야만 하고, 이는 우리가 텅텅 비어있다고 생각했던 우주 공간에도 균일하게 퍼져있어야만 하는데, 그렇지 않다면 먼 하늘에 위치한 별들로부터 빛들이 우주공간을 지나 지구에 도달할 수 없기 때문입니다. 즉, 이 세상에는 아직은 과학자들이 한번도 찾아내지 못한 빛만을 위한 매질이 있다는 결론을 갖게 되며, 이 미지의 매질은 과연 무언인가가 과학계의 최대 관심사로 떠오르게 된 것입니다.

 

당시의 과학자들은 이 미지의 매질을 ‘에테르(ether)’라고 명명했는데, 이는 뉴튼이 중력파를 설명하기 위해 이 우주에 균일하게 퍼져있어야만 한다고 설명한 에테르에서 가져온 것입니다.

 

이후 수많은 과학자들이 에테르를 찾아내기 위해 많은 실험을 시행하였지만, 예상과는 완전히 반대의 결과를 가져온 실험이 ‘빛’에 관한 오랜 연구에 또 하나의 커다란 반향을 가져옵니다. 미국 오하이오주 클리브랜드에 있는 케이스 웨스턴 대학교(Case Western Reserve University)의 작은 실험실에서 앨버트 마이켈슨(Albert Abraham Michelson)과 에드워드 몰리(Edward Morley)에 의해 시행된 이 실험은 많은 이들의 예상과는 달리 ‘빛’을 이동시키는 매질, 즉 에테르는 존재하지 않는다는 결과를 보여줬습니다.

 

이 실험장치는 두개의 빛 줄기가 다른 방향으로, 하지만 정확하게 같은 거리를 이동한 후 검출기로 들어오게 만들어진 단순한 원리를 이용합니다. 만약 에테르가 정말로 존재한다면 그 영향으로 거리는 같지만 다른 방향으로 이동한 빛줄기는 검출기까지 도착하는 시간이 다를 수 밖에 없는데, 실제 실험결과는 방향과 무관하게 언제나 같은 시간에 빛이 동일한 거리를 이동하는 것을 보여줬습니다.

 

이는 곧 이 우주에 균일하게 퍼져있는 에테르라는 매질은 존재하지 않으며, 그럼에도 불구하고 오늘밤에도 밤하늘에 별들을 볼 수 있다는 것은 빛이 매질이 없는 공간도 잘 이동한다는 것을 증명하고 있는 것입니다.

 

이렇게 세상에 있는 모든 것들은 입자, 아니면 파동으로 구분될 수 있다고 본 고전물리학적 관점에서는 도저히 이해할 수 없는 것이 바로 ‘빛’이었고, 이는 1900년대 이후, 양자역학에 의해 빛은 입자성과 파동성을 동시에 갖는다는 것을 알게 되었습니다.

 

이 빛에 대한 연구는 양자역학의 관점으로도 빛이란 입자 아니면 파동으로 구분되는 것이 아니라, 입자성과 파동성을 함께 갖고 있다라는 결론을 도출해 냄으로써 1900년대초 고전역학의 시대를 마감하고 양자역학의 시대를 여는 데에 있어서 중요한 열쇠 역할을 담당한 연구과제였다고 볼 수 있습니다.