[음악] 매일같이 뜨고 지는 태양을 밝히면 걷어진 어둠 예로부터 인간은 이 빛의 본질이 뭔지 궁금해했습니다 빛이라는 건 무엇일까?

빛을 학대해서 바깥을 보면 도대체 어떻게 생겨났을까?

17세기까지만 해도 학자들은 빛이 입자인지 파동인지에 대해서 엄청나게 싸웠습니다.

그런데 이때 한 천재 과학자가 등장합니다.

빛은 입자라고 주장한 고전 역학의 아버지, 아이작 뉴턴입니다.

당시 인류 최고의 천재라는 소리를 듣던 아이작 뉴턴 그는 프리즘을 이용해서 빛을 빨주노초파남보로 분리해 보고, 빛의 여러 색을 합쳐서 흰빛을 만드는 실험으로 빛은 복합체임을 증명했습니다.

그리고 뉴턴은 빛을 미립자라고 가정하고 프리즘에 의한 빛의 반사, 굴절 분산을 설명했습니다.

당시 아이작 뉴턴이란 이름은 과학자들 사이에서 거의 같은 가치를 갖고 있었고, 그를 믿고 존경했던 시대였기 때문에 뉴턴의 빛은 입자라는 주장이 라는 의견은 곧 정설로 받아들여졌습니다 그런데 뉴턴의 빛의 입자설을 인정하지 않았던 과학자 크리스티안 하위겐스는 이렇게 말합니다.

'빛은 애초부터 파동이다.' 빛은 파동처럼 흐름이 있다고요.

만약에 빛이 입자라면 빛과 빛이 부딪힐 때 튕겨져야 되잖아요.

튕겨져야 되잖아요. 아, 그런데 빛이 다가가면 빛을 아무리 쌓아보세요. 빛이 사방으로 튈 않잖아요.

이 말은 애초에 빛은 파동이라는 말이에요.

하위겐스뿐만이 아니라 여러 과학자들은 빛은 파동이라는 주장을 계속해서 해왔습니다.

많은 다른 과학자들은 믿어주질 않았습니다.

애초에 아이작 뉴턴이 물리학계의 슈퍼스타로 자리잡고 있기 때문에 그의 말이 큰 신뢰를 받고, 그에 비하면 파동설을 주장하는 과학자들은 반박할 기회도 없었습니다.

그렇게 뉴턴의 주장 덕분에 180년 동안 사람들은 모두 빛은 입자라고 생각했습니다.

[음악] 그렇게 빛은 입자라는 생각이 지배적이던 시절이었습니다.

과학자 토마스 영은 빛을 이용해서 이중 슬릿 실험을 진행합니다 슬릿이란 뜻입니다.

길게 뚫린 구멍이 두 개 있으니까 이중 슬릿 실험이라고 부르죠.

구멍이 두 개 뚫린 판자 뒤에 판자를 하나 더 설치해 두고 빛을 쏘는 처음으로 이중 슬릿을 향해서 빛을 쏴봅시다 빛을 입자라고 생각했던 토마스 영은 이렇게 예상했습니다.

음, 어떤 배치는 벽에 맞고 튕겨져 나올 거고 또 어떤 것은 구멍을 쏙 통과해서 벽 뒤에 있는 스크린에 도착하게끔, 우리들의 예상대로라면 뒤에 있는 판자에 있는 구멍을 지난 빛이 달라붙어서 9개의 줄 무늬가 생길 거다 라고 예상되겠죠.

그런데 결과는 완전 딴판이었습니다. 나은이 이게 무슨 일이야?

9줄이 아니라 여러 줄 무늬가 나오다니! 과학자들은 어떻게 해야 여러 개의 줄무늬가 나오는 걸까?

과거의 사례를 찾아보기 시작합니다. 그런데 빛이 파동이라면 가능하다. 빛이 파동이라면 처음부터 두 개의 슬릿을 동시에 지날 수 있다.

빛이 파동이라면 이중 슬릿의 간섭 무늬 패턴과 일치하게 된다.

즉 빛은 파동이다라는 결론에 다다릅니다. 실험 안방으로 뉴턴의 빛 입자설은 힘을 잃었고 빛의 파동설이 다시 우세해졌습니다.

1862년 제임스 맥스웰은 전기와 자기로 인해 생성되는 파동, 즉 전자기파의 속도를 측정하는 실험을 진행합니다.

이 실험에서 맥스웰은 전자기파의 속도가 초속 30만 km임을 이끌어냈습니다.

아니, 초속 30만 km 전자기파의 속도가 하필 지체 속도와 일치한다는 것이죠.

이거 혹시 존 저 퐈가 미친 거 아니야?

눈치가 빨랐던 맥스웰은 이 실험으로 빛이 전자기파의 일종임을 간파해 냈습니다.

여러분, 전자기파는 꿈이니까 집도 그렇습니다.

네, 그렇습니다. 빛은 정말로 전자기장의 성분이 서로 수직으로 놓이면서 파동으로 전해져 가는 전자기파로 이미 확인되었습니다.

자, 이렇게 맥스웰의 파동 방정식까지 나오면서 뉴턴이 주장했던 빛의 입자 설은 거의 힘을 잃어버렸고, 빛은 파동이라는 이론이 훨씬 더 우세해졌습니다.

한편, 흑체 복사를 연구하던 막스 플랑크는 그는 흑체 복사를 설명하는 과정에서 빛의 에너지가 띄엄띄엄 하다는 사실을 깨닫게 됩니다.

예를 들어서, 비치 자동차라고 생각해 보죠.

자동차의 속력이 시속 100km, 200km로 달릴 수 있지만, 200km와 120km, 150km 사이에 존재하는 속도로는 달릴 수 없는 거나 다름없습니다.

이렇게 에너지가 띄엄띄엄 하다는 건 사실 입자의 성질입니다.

예를 들어서, 당구공의 무게가 1kg이라고 생각해 봅시다. 그러면 당구공 세 개의 무게는 당연히 당구공이 3개니까 3kg이겠죠.

이 당구공을 쪼개 버리지 않는 이상 당구공만으로 1.5kg, 2.5kg 을 만들 수 없습니다.

즉, 빛의 에너지는 특정한 값의 배수로만 존재할 수 있는 거죠.

이것을 우리는 양자화되어 있다고 합니다. 에너지가 연속적이지 않고 띄엄띄엄 떨어져 있는 겁니다.

이런 흑체 복사에서 일어나는 현상은 빛이 파동이라면 절대로 일어날 수 없는 일입니다.

하지만 반대로 빛이 입자라면 가능하죠. 막스 플랑크는 이걸 보고 생각합니다.

어느 빛을 보기 위해 제트 형태의 목표 규격은 1 객실 유출 육적으로 만들어진 드 하실 거지만 당시 빛은 파동이라는 설이 매우 우수했고 빛이 입자라고 한순간 과학계에서 개칭된 소리 드크 매장당 하기 때문에 플랑크는 본인이 사실을 보고도 빛이 입자임을 쉽게 믿지 못했습니다 대출 목적 음 물론 축 개들도 끄는 이렇게 최복사의 연구 결과를 발표하면서 빛이 입자임을 감지 쪽으로만 표현했습니다.

한편 빛은 파동이라고 믿은 과학자 하임 니 헤드 체 그는 음극선 실험을 하다가 우연히 광전 효과를 발견합니다.

광전 효과라는 것은 금속 표면의 특정 진동수보다 더 큰 진동수의 빛을 비추었을 때 금속에서 전자가 튀어나오는 현상입니다 그런데 당시 과학계에서는 빛의 파동설이 훨씬 우수했고 과학자들은 이 광전 효과를 빛의 파동설로는 전혀 설명하지 못했습니다 그런데 여기서 이 모든 논쟁을 끝낼 인류 최고의 천재 과학자 그가 등장합니다.

알버트 아인슈타인. 아인슈타인은 당시 파동설로는 설명하지 못했던 광전 효과를 빛은 광자, 즉 입자라는 이론으로 광전 효과를 완벽하게 설명 해냈습니다.

자세히 들여다보면 입자와 알갱이가 있습니다 이게 바로 광자라고 하죠.

금속의 일정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때 전자들이 튀어나온 이유는 빛의 광자와 전자가 충돌했기 때문입니다.

광자는 물질과 상호작용할 때 마치 입자처럼 행동하며 전자와 충돌할 때 가지고 있던 에너지를 전자에게 주었기 때문에 전자가 금속에서 튀어나온 겁니다.

이렇게 아인슈타인은 파동으로는 설명되지 않았던 광전 효과를 빛의 입자론으로 모든 원리를 설명했습니다.

그 당시 과학계는 빛의 입자설을 주장하면 미친 사람 취급을 받던 시대 였는데 아인슈타인은 광전 효과로 기존의 학계의 정설을 완전히 뒤집어 놓았고 노벨 물리학상을 타는 데 성공합니다.

빛의 입자설이 다시 주목받기 시작한 시점이 1923년, 과학자들은 한 실험을 진행하는데요.

이 실험으로 아인슈타인의 빛 입자설이 증명됐습니다.

그는 X선의 강도를 흑연에 정확히 쏘아 봅니다 그랬더니 빛이 마치 당구공처럼 움직였다는 걸 알게 되죠.

자, 여기 노란 공을 빨간 공을 향해 굴려 봅시다.

각도에 따라서 빨간 공이 휘는 만큼 똑같이 노란 공도 휘게 됩니다. 여기서 노란 공은 광자 인 셈이고 빨간 공은 흑연 입자 인 셈이죠.

만약에 빛이 입자가 아니었다면 절대로 일어날 수 없는 현상입니다.

이 당시 콤프턴의 실험으로 빛이 입자라는 걸 명확하게 보여줬고 이 실험 하나로 컴퓨터는 1927년 노벨 물리학상을 타게 됩니다.

자, 이렇게 몇 백 년 동안 과학계는 빛이 입자냐, 파동이냐를 가지고 엄청나게 싸워 왔습니다.

뉴턴 때는 빛의 입자설이 우세했다가, 토마스 영과 맥스웰 때는 빛의 파동설이 우세했다가 또다시 아인슈타인의 광자 효과로 빛의 입자설이 우세해졌죠.

이렇게 몇 백 년이나 빛이 파동이냐 입자냐 싸우다 보니까 과학자들은 머리가 터져 나갔습니다.

과학계에서 입자와 파동은 절대로 양립할 수 없는 개념인데, 없던 실험에서는 무조건 파동이 맞아야 되고, 또 어떤 실험에서는 무조건 입자가 맞아야 되는 이상한 실험 결과들이 나오는 겁니다.

이쯤 되니까 과학자들은 어떨 때는 파동이 맞고 또 어떨 때는 입자가 맞는 이런 빛의 현상을 보면서 그냥 둘 다 맞다 하면서 빛의 이중성, 파동과 입자의 융합성을 받아들이기 시작했습니다.

아인슈타인의 광전효과는 도대체 어디에 쓰일까 마무리도 영화의 두 번째 부분에서 영화 얘기로 끝내도록 하겠습니다.

영화 오션스 트웰브에서 세계 최고의 도둑 프랭크와 플루는 값비싼 보물을 훔치기 위해서 9 환시를 침투합니다.

이 보안실은 도둑이 들지 못하고, 특수 레이저가 설치돼 있는데 만약에 몸에 인식된 레이저가 닿기만 하면 경보 장치가 울리고, 도둑질은 실패로 끝납니다.

도둑들 입장에서 이 레이저 관리는 아주 성가신 녀석이죠.

그런데 이 보안용 레이저의 원리가 뭘까요?

이 보안용 레이저의 원리가 바로 방전 효과입니다.

광전효과에 따르면 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수도 있고 반대로, 전기 에너지를 빛 에너지로 변환할 수 있습니다.

여기에 레이저 광선을 살펴보자. 광 반도체에 전류를 가하면 - 전자가 이동하면서 빛 에너지가 방출됩니다.

여기서 레이저 보안 기술은 신체 일부분에 레이저가 닿았다가 반사되는 지점을 분석합니다.

적외선으로는 사람인지 사물인지를 인식하고 빛이 반사되어 되돌아오는 시간을 계산해서 위치나 크기를 계산합니다.

이렇게 빛을 통해서 계산하는 것은 엄청나게 정확합니다.

심한 안개, 비, 바람과 같은 악조건에서도 물체를 9분할 수 있고, 살아있는 생물체 인지, 그게 또 움직이고 있는지도 탐지할 수 있죠.

이렇게 빛을 이용한 레이저 기술은 아인슈타인의 광전 효과 덕분입니다.

우리가 영화에서 이런 명장면을 볼 수 있는 것도 방전 효과 덕분입니다.

이 말입니다. 그밖에도 방전 효과가 사용되는 분야는 자동으로 켜고 꺼지는 불빛 자동문 스캐너 향방 발전 전자 계산기 인공위성 등입니다.

오늘 조명 투고가 나왔어요. 오늘 영어 여기 진짜 많이 했죠? 그런데 파동과 입자의 성질을 동시에 가진 게 과연 이뿐일까요?

물질도 혹시 파동이면서 동시에 입자이지 않을까요? 물질이 의 눈썹을 가졌다는 것 자체가 말이 될까요?

이번 콘텐츠는 양자역학의 역사입니다. 그럼 지금까지 영화 유튜버 리뷰였습니다.

정말 이것만 증명하면... 무조건 노벨상 탄다고? 빛은 입자일까 파동일까?

과학과 영화가 중첩되어 있는 유튜버 리뷰엉이.
비즈니스 문의 - vvongyea@gmail.com

정말 이것만 증명하면... 무조건 노벨상 탄다고? 빛은 입자일까 파동일까?

Scripts