양자역학 ep.1 입자와 파동

정말 제가 좋아하는 분야이고 관심 있는 분야이지만 양자역학만큼은 손대고 싶지 않았습니다. 너무나 이해하기 힘들거든요. 제가 이해하지 못하는데 누군가에게 글을 쓴다는 것은 정말 어려운 일이겠죠. 내용이 많아서 한 번 나눠서 조금씩 조금씩 가보겠습니다. 양자역학을 알아보려면 우선적으로 입자와 파동이라는 개념부터 알아야 합니다. 양자역학은 빛이 입자냐 파동이냐에 대한 정의를 내리려던 것부터 시작되었거든요. 수백 년간 서로 간의 실험으로 논의되어 왔고 시대별로 대세를 이루는 학설이 갈라졌습니다. 

 

"빛은 입자요."

 

바로 아이작 뉴턴(Issac Newton, 1642-1727)이었습니다. 천재 물리학자이고 '만유인력의 법칙'을 확립한 사람이죠. 당시는 뉴턴이라 함은 물리학의 대명사인 말 그대로 뉴턴의 시대였습니다. 실험적인 증명이 있기는 하였으나 당시의 시대상에 따라서 뉴턴의 주장은 저항 없이 정설로 받아들여졌습니다. 물론 반론이 없었던 것은 아닙니다. 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens, 1629-1695)는 빛은 파동이라고 주장합니다. 그 외의 소수의 과학자들이 빛의 파동설을 주장했지만 당시의 시대상에 따라서 대부분의 과학자들은 빛은 입자라는 뉴턴의 주장에 힘을 실었습니다. 뉴턴의 주장 이후 180여 년간 모든 사람들은 빛은 입자라는 생각을 했습니다. 

입자와 파동

그럼 입자와 파동은 어떤 개념일까요? 입자는 아주 작은 알갱이라고 생각하면 됩니다. 크기만 작을 뿐 우리가 흔히 볼 수 있는 물질과 모든 성질이 같은 개념입니다. 그렇다면 파동은 무엇일까요? 파동이란 '진동이 퍼저나 가는 현상'을 말합니다. 영어로는 'wave'이고 파도도 'wave' 이듯이 파동의 대표적인 예 중의 하나가 바로 파도입니다. 입자는 물질이 움직이면서 에너지를 같이 가져가는 것이고, 파동을 물질은 움직이지 않고 에너지만을 전달하는 현상 입니다. 공을 던지면 공이 날아갑니다. 이 것은 입자에 해당하는 현상입니다. 공을 던지며 소리를 질렀다고 한다면 그 소리가 전달되는 현상은 그 사이의 매질을 통해서 공기가 진동하여 전달되는 것으로 파동이라고 할 수 있습니다.

이중 슬릿 실험

빛의 이중슬릿 실험

토마스 영(Thomas Young, 1773-1829)이라는 과학자가 나타납니다. 빛으로 이중슬릿 실험을 진행합니다. 슬릿(Slit)이라 함은 좁고 기다란 틈을 이야기하고 그 틈이 두 개가 존재하는 판을 세워서 실험을 하기에 이중슬릿 실험이라고 합니다. 빛을 입자라고 생각한 토마스 영은 두줄의 무늬가 나올 거라 예상했습니다. 그러나 실험결과 파동의 경우에 나타나는 여러 줄의 간섭무늬가 나타난 것이죠. 결국 이 실험으로 뉴턴의 빛의 입자설은 힘을 잃고 파동설이 다시 힘을 얻기 시작했습니다. 그 후 1862년 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)은 전자기파의 속도를 측정하는 실험을 진행하였고 여기서 초속 30만 km라는 결과를 얻었습니다. 공교롭게도 빛의 속도와 동일했죠. 후속연구를 통하여 빛은 전자기파임이 확인되었고 이는 곧 빛은 파동이라는 결과를 끌어냈습니다. 

 

막스 플랑크 (Max Planck, 1858-1947)

막스 플랑크는 '흑체복사'를 연구하고 있었습니다. 그는 흑체복사를 설명하는 과정에서 빛의 에너지가 연속적이지 않다는 사실을 알게 됩니다. 에너지가 증가하는데 100g의 무게에서 200g으로 증가하는데 그 중간(예를 들면 150g)은 없다는 말입니다. 이 것은 입자에서만 가능한 성질입니다. 어떤 물건 하나가 100g이라면 두 개는 200g이 되겠죠. 그 물건을 자르지 않는 한 그 중간은 있을 수 없는 것과 같습니다. 이렇게 흑체복사에서 일어나는 빛의 에너지 증가가 연속적이지 않은 상황은 빛이 파동이라면 절대로 불가능한 일입니다. 그러나 당시의 분위기[빛은 파동이다] 때문에 본인이 밝혀낸 실험적 결과에도 빛이 입자임을 믿지 못했습니다. 

 

1927년 솔베이회의

광전효과

광전효과 라는 것이 발견되었습니다. 금속표면에 특정 진동수의 빛을 비췄을 때 금속 표면에서 전자가 튀어나오는 현상입니다. 이 또한 빛이 입자인 상황에서만 가능한 현상입니다. 이때 바로 등장한 것이 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879-1955)이었습니다. 그는 이 광전효과를 광자(빛의 입자)라는 정의로 설명해 냈습니다. 당시의 학계는 빛의 파동설이 주류학설이었으나, 빛의 입자설을 통한 광전효과를 설명함으로써 당시의 이론을 다시 한번 뒤집어 놨고, 이로 인해 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다. 

 

빛은 파동인가 입자인가?

수백 년간 몇 번이나 서로의 이론은 뒤집어졌습니다. 현대 물리학의 아버지라 불리는 뉴턴부터 역대 최고의 천재로 불리는 아인슈타인 까지 수많은 과학자들의 이론은 계속해서 반박에 재반박이 되었고, 이때쯤부터 '파동 입자의 이중성'을 받아들이기 시작했습니다. 이는 양자역학의 발견으로 이어지는 토대가 되었죠. 

 

2편으로 이어지겠습니다.