파동과 입자의 원리 이해하기

파동과 입자의 원리 이해하기

파동과 입자의 원리 이해하기

여러분은 단순한 진동, 그 진동을 일으키는 물체들이 옆으로 많이 모여 있으면, 한쪽이 다른 쪽에 영향을 주면서 파동이 만들어진다는 것을 이제 배우셨습니다. 그래서 파동이라고 하는 것은 뭐냐 하면, 일단 이렇게 단진동을 하고 있는 입장들이 빽빽하게 많이 모여 있는 이런 상황에서 어떤 한쪽의 입자가 진동하면, 그 입자의 에너지가 다른 쪽으로, 사실은 여러 곳으로 동시에 죠. 여러 곳으로 동시에 퍼져나가는 현상, 이런 것을 우리가 파동이라고 합니다. 예를 들자면, 물결파, 또는 제가 이렇게 말을 했을 때 소리가 나는 현상. 이 소리가 사실 파동의 일종이죠. 그래서 음파라고 하잖아요. 또는 바이올린 같은 현악기 줄의 진동, 혹은 북을 우리가 치면 둥둥둥하면서 소리가 나는데, 그 표면의 진동. 이런 것들이 다 파동이라고 이해할 수 있습니다. 또는 지진파 같은 것도 파동이고요. 근데 사실 이런 것만이 파동은 아닙니다. 예를 들자면, 여러분이 도미노를 열심히 세워서 도미노 게임을 해서 하나를 무너뜨리면, 계속 무너지잖아요. 그런 도미노도 우리가 파동으로 이해할 수 있습니다. 또는 축구 경기장에서, 야구 경기장에서 우리가 때때로 파도타기 응원을 합니다. 어느 한쪽에서 일어났다 앉으면 그다음 옆 사람이 일어났다 앉고 일어났다 앉고. 이런 파도타기 응원도 우리가 파동으로 이해할 수 있습니다. 이때 입자 역할을 하는 것이 사람이죠. 그런데 사람과 사람은 용수철로 연결이 안 돼 있다고요? 물론 눈에 보이는 용수철로는 연결이 안 돼 있습니다. 하지만 여기에는 소위 말하는 눈빛으로 연결이 돼 있죠. 옆에 있는 사람이 찌릿찌릿하고 쳐다보면, 일어나지 않고 그냥 가만히 있을 그런 사람은 많지 않습니다. 눈치를 보고 주변 분위기를 봐서 적당할 때 일어났다 앉아줘야 되는 거죠. 바로 이런 것이 눈에 보이지 않는 용수철의 역할을 한다고 할 수 있습니다. 그런데 이 모든 일에서 여러분이 알 수 있듯이 파동이 퍼져나가려면, 일단 입자들이 있어야 됩니다.

파동과 입자

일단 진동을 하고 있는 그런 물체들이 있어야 그래야 파동이 퍼져나가는 것이죠. 우리가 어떤 줄이 있을 때 줄에 파동을 만들려면, 한쪽을 흔들고 그것이 줄을 타고 파동이 전달되는 것이잖아요. 그런데 줄이 없는데, 줄에 파동을 만들어봐라. 그러면 이건 언어도단이죠. 있을 수 없는 일입니다. 이런 식으로 어떤 파동이 형성되려면, 일단 파동이 전파되기 위한 물질이, 그 입자들이 빽빽하게 들어차 있어야 됩니다. 파도타기 응원을 하는데, 관중석에 아무도 없다. 그럼 파도타기 응원이 일어날 수 없는 것이죠. 이런 식으로 파동이 일어나기 위해서 이미 존재하는 그런 물질, 즉 파동을 매개하는 물질을 매질이라고 합니다. 예를 들면 물결파의 매질은 물이고 소리, 음파의 매질은 공기입니다. 파도타기 운동의 매질은 사람이죠. 이런 식으로 파동들마다 모두 매질이 있습니다. 사실 여러분은 이런 현상을 지금까지 수도 없이 많이 봐오셨겠지만, 이제 이 원리를 아셨기 때문에 이런 사소한 현상이라고 해도 새로운 보이실지 모르겠습니다. 제가 여기에서 줄을 흔들어서 상대편으로 파동을 전달해 보도록 하겠습니다. 잘 보셨나요? 이 파동이 일어나는 원리는 앞에서도 말씀드렸듯이 이 줄에 수많은 입자들이 있는데요. 아주 사소한 현상에도 사실 굉장히 많은 입자들이 여기에서 지금 서로 연결되어서 진동하고 있는 것이죠. 그래서 한쪽에서 다른 쪽으로 진동을 전달해 주면서 파동이 전해지는 것이죠. 이때 이 줄에서 일어나는 파동의 매질은 그럼 무엇이겠습니까? 물론 이 줄을 구성하고 있는 입자겠죠. 이렇게 해서 파동이라고 하는 것은 수많은 입자들이 빽빽하게 모인 상태에서 그 매질을 타고 한 곳에서 다른 곳으로 에너지가 전달되는 것이라고 할 수 있겠습니다. 여기 보이는 이 그림은 여러분이 다 아시는 그림이지만, 그냥 확인 차원에서 보여드리는데요. 그다음에 보시는 이 그림은 파이프 관이 있는데요. 거기에 구멍이 뚫려 있습니다. 그리고 파이프에서는 불꽃이 치솟고 있는데요. 우리가 파이프를 진동시키면, 그 진동에 의하면 불꽃이 커졌다 작아졌다가 규칙적으로 하는 그런 모습을 보여주고 있습니다. 그래서 이 불꽃을 보면, 여기에서 파동이 일어나고 있다는 것을 알 수 있죠. 중국의 한 방송국에서 기네스 기록을 세우겠다고 하면서 침대를 이렇게 등에 대고 사람이 도미노를 만들고 지금 넘어지고 있는 그런 장면입니다. 여기에서 사람으로 파동을 만들고 이 파동의 매질은 사람이죠. 이런 것도 파동이라고 할 수 있습니다. 그리고 여기 보시는 이 그림은 실제 축구 경기나 야구 경기장에서 하고 있는 파도타기 응원을 그림으로 보여준 건데요. 보시다시피 한 사람이 일어났다 앉으면, 바로 옆에 있는 사람이 일어났다 앉으면서 파동이 옆으로 전파되는 모습을 보실 수 있습니다. 지금까지 여러분이 보셨다시피 파동이라고 하는 것은 이렇게 여러 방향으로 동시에 에너지를 전달할 수 있습니다. 예를 들어 제가 연못에 돌멩이를 던지면, 거기에서부터 동심원을 그리면서 파동이 퍼져나가는데, 그럼 그 파동은 어디에 에너지를 전달하느냐? 그 동심원이 닿는, 그 파동이 닿는 모든 곳에 에너지를 전달하죠. 사방으로 모든 곳으로 에너지를 전달합니다. 그런데 여기에 중요한 것이 하나 있습니다. 이때 그 물결파를 일으키고 있는 그 물 분자들, 각각의 입자들은 처음에 파동이 일어났던 그곳에서부터 연못의 끝까지 멀리까지 움직이지 않습니다. 그 물 분자들은 단지 제자리에서 약간 위로 올라갔다 내려갔다 하면서 진동할 뿐이죠. 또는 파도타기 응원에서 각각의 관중들은 제자리에서 일어났다 앉았다 할 뿐입니다. 그 관중 한 명, 한 명이 그 경기장을 따라서 열심히 달려가고 있는 것이 아니죠. 그래서 그 한 명, 한 명은 그냥 제자리에서 일어났다 앉았다 할 뿐이지만 그 파도타기 응원의 에너지는 한쪽에서부터 다른 쪽으로 멀리까지 전달됩니다.

파동의 원리

즉, 파동이라고 하는 것은 한쪽에서 다른 쪽으로 전달될 때 그 매질이 한쪽에서 다른 쪽까지 직접 움직이는 것이 아니라 그냥 제자리에서 왔다 갔다 할 뿐이라는 것을 알 수 있습니다. 본래 위치에서 크게 벗어나지 않는 것이죠. 그리고 이 파동이 일어나기 위해서는 아까도 말씀드렸듯이 수많은 입자들이 모여 있어야 합니다. 입자들이 없으면 파동이 일어날 수 없는 거죠. 그래서 이미 매질이 있는 상황에서 파동이 일어나면, 수많은 입자들이 모두 협동해서 아주 정교하게 사인 모양을 만들어내는 것이죠. 그럼으로써 다양한 모양으로 퍼져나가게 됩니다. 다시 말씀드리면, 매질이 없으면 파동이 퍼져나갈 수 없습니다. 왜냐하면, 이것이 나중에 우리가 빛의 정체에 대해서 혹은 전자 같은 물질의 정체에 대해서 우리가 알아야 할 때 굉장히 중요한 역할을 하기 때문에 그렇습니다.

진동과 파동 관련 요약

마지막으로 요약을 해보겠습니다. 에너지가 전달되는 방법에는 두 가지가 있습니다. 한 가지가 무엇입니까? 예를 들어서 우리가 사과를 던지면, 그 사과는 제 손을 떠나서 다른 곳으로 멀리 이동합니다. 그러면 그 사과를 받은 사람은 그 사람의 손에 사과를 통해서 전달된 에너지를 받을 것입니다. 이런 식으로 제가 하나의 입자를 가지고 멀리까지 던져서 그 입자가 스스로 움직여서 에너지를 전달하는 것, 이것을 우리가 입자에 의한 에너지 전달이라고 합니다. 반면에 파동은 그렇지 않습니다. 파동은 각각의 입자들은 제자리에서 진동할 뿐인데, 그 입자들이 이미 많이 깔려있고 그 입자들이 협동을 하는 과정에서 한 곳에서 다른 곳으로 에너지가 전달됩니다. 이것은 우리가 파동에 의한 에너지 전달이라고 합니다. 이렇게 두 가지의 에너지 전달 방법이 있습니다. 이렇게만 말씀드리면, 여러분이 잘 실감하지 않으실 거 같아서 제가 직접 실험을 해 보이도록 하겠습니다. 입자와 파동의 차이를 좀 더 실감 나게 설명드리기 위해서 제가 여기에서 아주 간단한 실험을 해볼까 합니다. 물론 여러분이 일상생활에서 쉽게 경험하는 것이기는 한데요. 그래도 새롭게 보이실지 모르겠습니다. 여기 제 뒤에 스크린이 있고요. 제가 이 스크린을 쳐서 파동을 한번 만들어보도록 하겠습니다. 제가 여기에서 파동을 만들면, 제가 친 파동 때문에 저 상대편에게 신호가 전달됩니다. 방금 신호를 느끼셨나요? 여러분이 보셨다시피 제가 여기에서 파동을 만듦으로 해서 상대편에게 신호를 전달했습니다. 즉, 에너지를 전달한 것이죠. 그런데 여러분이 사실 여기에서 어떤 걸 또 느끼셨을 거냐 하면, 이 파동은 스크린에서 저 상대편의 손으로만 전달된 것이 아니라 사실 이는 스크린 전체로 퍼져나간 것을 보셨을 것입니다. 그렇기 때문에 파동은 에너지를 전달하는데 어느 한 방향으로만 전달하는 것이 아니고요. 가는 길이 명확하게 정해져 있지 않습니다. 또한 중요한 사실은 뭐냐 하면, 이렇게 해서 에너지를 전달했음에도 불구하고 전달한 후에 이 스크린의 모습이 그대로 남아있다는 것이죠. 즉, 파동은 에너지를 전달하지만 이때 에너지 전달에 참여한 입자들, 이 매질은 처음 모습 그대로 그 자리에 남아있습니다. 이에 비해서 입자는 다릅니다. 이번에는 제가 이 사과를 가지고 입자에 의한 에너지 전달을 보여드리도록 하겠습니다. 잘 받으셨죠? 제가 사과를 전해드렸을 때 그 사과를 받은 걸 느끼셨나요? 물론 아주 간단한 실험이지만, 이것이 바로 입자의 에너지 전달입니다. 여기에서 여러분이 중요하게 깨달으셔야 될 것은 두 가지인데요. 하나는 현재 제 손에는 사과가 없다는 것입니다. 사과가 처음에 제 손에 있었는데, 사과를 상대편에게 던짐으로 해서 에너지를 전달했고 그 결과로 사과는 더 이상 제 손에 없고 상대편에게 가 있습니다. 이렇게 입자에 의한 에너지 전달이라고 하는 것은 그 입자가 직접 한쪽에서 다른 쪽으로 움직여서 에너지를 전달하게 됩니다. 아까 파동 하고는 다른 결과죠? 또 한 가지 중요한 것은 이 입자는 가는 길이 명확하게 정해져 있다는 것입니다. 모든 방향으로 다 에너지를 전달하거나 또는 가는 길이 명확하지 않은 것이 아니라 파동과는 다르게 어느 한 방향으로만 에너지를 전달하고 그리고 여러분이 눈으로 보셨다시피 이 사과가 날아가는 길은 하나로 딱 정해져 있습니다 이 두 가지가 파동과의 굉장히 큰 차이점이죠. 지금 이 순간에도 제가 여러분한테 말씀을 할 때 그 수많은 입자들이, 수많은 공기 분자들이 진동하고 있습니다. 어떻게 진동하고 있습니까? 제가 말하는 것을 한 치의 왜곡도 없이 그대로 전달하죠. 그 수많은 억의 억의 억 개도 넘는 그 입자들이 굉장히 정교하게 그렇게 협동을 해야만 가능한 일입니다. 그렇게 해서 제 목소리는 여러분께 전달이 되는 것이죠. 그런데 이 수많은 입자들의 진동, 그리고 이 정교한 운동을 뉴턴은 그 세 가지의 운동 법칙, 그리고 아주 간단한 F=ma라고 하는 그 수식 하나만을 가지고 다 설명할 수 있었습니다. 뿐만 아니라 우주 처음부터 지금까지 혹은 미래에 이르기까지 단 한순간의 예외도 없이 설명할 수 있는 것이죠. 이것이 바로 뉴턴이 사람들이 위대하다고 하는 그런 이유입니다. 여러분은 지금 비록 이 방 안에 공기 분자들이 보이지 않으시겠지만, 그럼에도 불구하고 여러분은 이제 믿으실 수 있을 겁니다. 혹은 받아들이실 수 있을 겁니다. 이 공기 분자들은 지금 대단한 일을 하고 있는 것입니다.