빛의 본질은 무엇일까? 고전 물리학에서의 대립

빛의 본질은 무엇일까? 고전 물리학에서의 대립

빛의 본질은 무엇일까? 고전 물리학에서의 대립

빛의 정체에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 물리학적으로 빛의 정체가 무엇인가에 대해서는 오랜 전부터 아주 많은 논란이 있었는데요. 이번 시간에 알아볼 것은 고전 물리학적인 빛의 정체입니다. 궁극적으로 우리는 현대 물리학적으로 빛의 정체가 무엇인가에 대해서 이번 학기 내내 알아보게 될 텐데요. 처음부터 현대 물리학적인 빛의 정체에 대해서 얘기하면 거의 아무것도 이해를 못 하게 될 것이기 때문에 먼저 고전 물리학적인 이론에 대해서 알아보려고 하는 것입니다.

고전 물리학에서 빛의 정의

고전 물리학적으로 빛의 정체가 무엇인가에 대해서는 맥스웰이 1800년대 중반에 맥스웰의 전자기 이론을 완성함으로써 밝혀냈는데요. 사실은 처음부터 빛의 연구를 했다기보다는 그것과 관계없는 것처럼 보이던 전기 그다음에 자기라고 하는 두 개의 현상에 대해서 연구를 하다 보니까 자연스럽게 빛의 정체가 무엇인가에 대해서 도달할 수 있게 되었습니다. 맥스웰이 만든 전자기 이론에 보면 맥스웰 방정식이라고 하는 것이 있는데요. 바로 이 맥스웰방정식이 빛이 물리학적으로 전자기파라고 하는 파동이라고 하는 것을 보여줍니다. 맥스웰의 전자기 이론은 전기와 자기라고 하는 두 개의 서로 다른 현상을 연구하다가 두 개의 현상이 서로 관련 있다는 것을 발견하게 되고 그리고 그 두 개의 현상에 대해서 연구를 하다 보니까 결국은 최종적으로 만든 방정식인데 그 방정식의 해를 구해보면 자연스럽게 빛이 있어야만 된다는 결론에 도달하게 됩니다. 그래서 맥스웰 방정식은 빛의 정체를 고전 물리학적으로 밝히는 가장 근본적인 방정식이라고 할 수 있고요. 때때로 물리학자들이 어떤 농담을 하냐면 창세기에 '태초에 빛이 있으라 하시니, 빛이 있었다.'라고 신이 이 세상을 만들었다고 하는데 그때 '빛이 있으라 하시니'라고 하는 말 대신에 사실은 다른 주문을 만약에 외웠다면 그것이 바로 맥스웰 방정식이 아닐까 이렇게도 얘기를 합니다. 그래서 빛의 본질에 대해서 말씀을 드려야 되겠는데요. 일단 우리가 맨 처음에 생각해야 될 것은 뭐냐면 어둠이 먼저인가 빛이 먼저인가 하는 것입니다. 즉. 어둠이 먼저이고 거기에 무언가가 있어서 빛이 있는 것인지 아니면 빛이 본래 있는 것이고 거기에서 무언가 없는 것이 어둠인 것인지 이런 거에 대해서 우리가 먼저 생각을 해보아야 될 텐데요. 사실은 아무것도 없으면 그것이 바로 어두운 것이고, 그래서 아무것도 없는 상태가 어두움이고 거기서 새로운 뭔가가 생겨남이 빛이 있는 거라고 할 수 있겠습니다. 그래서 아무것도 없는 어둠에서 무언가가 있는데, 그 무언가의 정체가 무엇이냐 이것이 바로 빛의 본질에 대한 이론이 되겠지요. 그래서 그 무엇이 우리 눈에 들어오면 우리의 시신경을 자극하게 됩니다. 그리고 이 자극이 뇌로 전달되어서 우리가 빛이 있다는 것을 인식하게 되는 거지요. 그렇기 때문에 우리가 빛을 인식할 때는 그냥 누구나 똑같이 빛이 있다는 것을 인식하지 않습니다. 사람에 따라서 그 시신경이 어떻게 생겼는가에 따라서 다르게 인식하기도 하지요. 예를 들면 시신경이 약간 이상이 있는 사람들은 색깔을 잘 구분하지 못할 수도 있고 아니면 아예 색깔을 인지하지 못하고 흑과 백으로만 보게 되는 경우도 있습니다. 그래서 빛을 사람마다 제각각 다르게 인식하고, 그리고 색깔의 정체 같은 것도 사실은 사람에 관련되어있는 것이기 때문에 굳이 물리학적으로 빛의 본질과 직접적인 관련이 있다고 할 수는 없겠습니다. 그럼 그 무엇이라고 하는 빛이 어떻게 시신경을 자극하는가 하는 이런 거는 생물학적인 이론이 필요하겠지요. 여기서 우리는 그것까지 다루진 않을 것이고요. 물리학적으로 빛이 무엇인가에 대해서만 다루도록 하겠습니다.

빛의 본질에 대한 이론 대립

이 빛의 본질에 대해서는 아주 오랜 옛날부터 두 가지 이론이 크게 대립되었다고 할 수 있겠습니다. 저번시간에 우리는 에너지의 전달방법에 2가지 종류가 있다고 배웠는데요. 하나가 입자에 의한 전달이고 다른 하나가 파동에 의한 전달이라고 했습니다. 그런데 입자에 의한 전달과 파동에 의한 전달은 너무나 많은 차이가 있어서 서로 공통점을 찾기가 굉장히 힘듭니다. 입자에 의한 전달을 어떻게 설명드렸느냐 하면, 어떤 입자, 예를 들어서 사과 같은 거를 상상할 수 있는 거지요. 그래서 사과에 의해서 에너지가 전달된다 그러면, 제가 손으로 사과를 던졌을 때 사과가 공중으로 날아가게 됩니다. 그때 사과는 어떤 특정한 길 잘 정해진 궤도를 따라서 움직이게 되죠. 그래서 그 사과가 다른 쪽으로 날아가게 됩니다. 근데 그렇게 해서 사과가 다른 쪽으로 에너지를 전달하게 되면 최종적으로 제가 처음에 사과를 가지고 있다가 제 손에서 사과가 사라지게 됩니다. 즉, 입자에 의한 에너지 전달이라고 하는 것은 입자가 직접 한 곳에서 다른 곳으로 에너지를 전달하게 되는 거지요. 그리고 또한 어떠한 정확한 길을 따라서 움직이게 됩니다. 그에 비해서 파동에 의한 전달은 예를 들면 우리가 물결파를 상상할 수가 있는데요. 연못에 돌을 던진다고 한번 생각을 해보죠. 그러면 돌이 연못 표면에 닿는 순간에 물결이 생겨나게 됩니다. 그 돌이 닿는 그 부분부터 시작해서 물결이 출렁출렁하면서 점점 퍼져나가게 되죠. 그런데 그 퍼져나가는 방향이 딱 정해져 있는 방향이 없습니다. 연못에 물이 있는 모든 방향으로 사방으로 퍼져나가게 되죠. 또한 나중에 그 에너지가 파동에 의해서 연못에 다른 곳으로 전달이 된 후에도 물은 그대로 남아있습니다. 즉, 다시 말하면 입자의 경우에는 사과가 한 곳에서 다른 곳으로 직접 이동해서 처음에 있던 위치가 바뀐 거죠. 그런데 파동에 의한 에너지 전달은 에너지를 전달하는 매질이라고 하는 그 자체는 그대로 남아있다는 뜻입니다. 그래서 이렇게 입자에 의한 전달과 파동에 의한 전달은 매우 큰 차이가 있습니다. 그런데 빛이라고 하는 것은 과연 이렇게 입자에 의해서 에너지를 전달하는 것인지 아니면 파동에 의해서 에너지를 전달하는 것인지 이 두 가지를 놓고 아주 오랫동안 물리학자들 사이에 대립되어 있었다 이렇게 말씀을 드릴 수 있겠습니다. 이걸 어떻게 비유할 수도 있겠느냐 하면, 여러분이 바닷가에서 잠깐 잠이 든 걸 한번 상상해 보죠. 여러분이 바다를 등지고 있다가 졸음이 와서 잠깐 잠을 자고 있었습니다. 그런데 등에 어떤 자극이 느껴졌어요. 그럴 때 그 자극이 어떠한 자극이냐 하는 거죠. 예를 들어서 파도가 여러분의 등을 때렸었을 수도 있습니다. 출렁출렁하는 바닷물이 파도가 되어가지고 파도가 여러분의 등을 때리는 경우도 있을 것이고요. 아니면 주변에서 공놀이를 하다가 그 공이 여러분의 등을 쳤을 수도 있겠습니다. 그럴 때 여러분 잠결에 무엇이 자기 등을 자극했는지 알기가 힘들겠죠. 그럴 때 그 자극이 과연 입자에 의한 것이냐 파동에 의한 것이냐 이런 것과 비슷한 질문이라고 할 수 있겠습니다. 그래서 이 입자설과 파동설이 빛의 정체에 대한 두 가지 큰 이론이라고 할 수 있는데요. 처음에는 입자설이 우세했습니다. 입자설을 주장한 대표적인 물리학자가 바로 뉴턴인데요. 뉴턴은 어떻게 생각했느냐 하면, 빛은 눈에 보이지 않는 작은 입자들로 이루어져 있다고 생각했습니다. 그에 비해서 파동설을 주장하는 사람들도 아주 많이 있었는데요. 호이겐스나 오일러나 영 같은 이러한 사람들은 빛이 입자가 아니라 파동이라고 주장을 했습니다. 그런데 전에 우리는 어떻게 배웠느냐 하면, 파동이 있으려면 일단 공간에 매질이 있어야 된다고 말씀드렸습니다. 빛은 근데 우주공간 어느 곳이나 다 전달될 수가 있죠. 따라서 빛은 우리가 파동이라고 생각한다면 우주공간에 모든 곳에 빛을 전달할 수 있는 그런 매질이 가득 차있어야 되겠습니다. 그래서 그 매질을 사람들은 에테르라고 불렀습니다. 물론 에테르는 아직 발견되지 않은 상태였죠. 그래서 입자설이 옳은지 파동설이 옳은지, 이걸 물리학자들에 따라서 서로 대립되어가지고 다른 주장을 했는데 그런데 적어도 18세기 말까지는 뉴턴의 영향력이 워낙 컸기 때문에 입자설이 정설이었다고 할 수 있겠습니다. 그런데 이것이 19세기에 접어들면서 바뀌게 되죠. 19세기에 물리학자 영이라고 하는 사람이 소위 말하는 이중 슬릿 실험이라고 하는 것을 하게 되는데요. 이중 슬릿 실험을 해봤더니 그 결과가, 빛이 파동이라고 하는 결과가 나왔습니다. 그래서 그 이후로는 파동설이 정설이 되고 최종적으로 맥스웰은 이 파동설에 바탕을 두고 맥스웰의 전자기 이론을 완성하게 됩니다.

끝나지 않은 빛의 성질

그렇지만 사실은 이게 끝이 아닌데요. 앞으로 우리가 현대 물리학을 배우고 나면 빛은 입자도 아니고 파동도 아니라고 하는, 혹은 입자이기도 하고 파동이기도 하다는 굉장히 이상한 결론에 도달하게 됩니다. 그런데 제가 이걸 지금 바로 여러분한테 이야기해드릴 수는 없습니다. 왜냐하면 제가 지금 이걸 여러분한테 말씀드린다 해도 여러분은 도저히 이해할 수가 없을 것이기 때문입니다. 그래서 그것에 대한 사전 준비 작업으로 지금 우리가 맥스웰의 전자기 이론을 먼저 하게 되는 것이지요. 사실은 빛의 정체가 무엇인가 하는 것은 굉장히 복잡하고 미묘한 그런 문제입니다. 그리고 사실은 이 과목 끝까지 거의 내내 관통하는 가장 큰 주제가 바로 빛의 정체가 무엇인가라고 하는 것이 되겠습니다. 그래서 앞으로 우리는 빛의 정체에 대해서 계속 배우게 될 것입니다. 그런데 빛을 이해하기 위해서는 먼저 우리가 전기와 자기에 대해서 배워야 합니다. 아까 잠깐 말씀드렸지만 사실은 빛이 독립적인 그런 대상이 아니고요. 전기와 자기의 어떤 상호작용 혹은 그사이 관계를 통해서 나타나는 그런 대상이라고 할 수 있겠습니다. 그래서 먼저 우리가 전기와 자기에 대해서 알아야 되는데요. 본래 전기하고 자기하고는 거의 아무런 관계도 없는 서로 다른 현상이었는데, 사람들이 이 전기와 자기에 대해서 연구를 하면 할수록 그 두 개가 점점 더 관계가 있다는 것을 알게 되었고 궁극적으로는 맥스웰에 의해서 전기와 자기가 사실은 다른 현상이 아니라 같은 현상이라고 하는 그런 것을 알게 됩니다. 전기와 자기가 하나로 통일이 되는 것이지요. 그리고 사실은 그 결과물로서 빛은 필연적으로 존재할 수밖에 없는 그런 파동이라는 결과가 나오게 됩니다. 그래서 이게 사실은 물리학적으로 굉장히 놀라운 성과라고 할 수 있는데요. 그리고 이게 사실은 물리학이 발전하는 아주 전형적인 그런 과정이라고 할 수 있겠습니다. 일반적으로 과학적이라고 하는 것은 굉장히 많은 다양한 현상들이 있을 때 그 현상들을 좀 더 간단하게 통합적으로 설명하기 위해서 노력을 합니다. 그래서 더 근본을 파고들어 가서 현상들을 설명하게 되는데 그러면 본래 사람들이 예측하지 않았던 예상하지 못했던 어떤 통일된 이론이 발견되게 되고요. 점점 더 적은 수의 이론으로 많은 현상을 설명할 수 있게 되는 거지요. 그러다 보면 그게 단지 통일만 되는 것일 뿐만 아니라 어떤 경우에는 전혀 예상하지 못했던 완전히 새로운 현상까지도 그 통일된 이론으로 설명할 수 있게 됩니다. 이러한 현상이 바로 전기와 자기에서 일어났다는 거지요. 전기에 대해서 사람들이 설명을 하려고 했고 자기에 대해서 설명을 하려고 했는데 사실은 알고 봤더니 그 두 가지가 하나의 이론으로 설명이 됩니다. 그런데 그 하나의 이론이 사실은 알고 봤더니 빛에 대한 설명까지도 포함하고 있더라. 이렇게 되는 것이지요. 그래서 바로 이런 것이 전형적으로 발전하는 과정이라고 할 수 있고 앞으로 우리는 현대 물리학을 배우면서 학기말까지 이런 현상을 좀 더 많이 살펴볼 수 있게 될 것입니다.