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[별별 과학] 빛과 양자역학의 태동

[별별 과학] 빛과 양자역학의 태동 기사의 사진
막스웰 방정식과 전자기파
빛이 파동일까 입자일까 하는 문제는 과학계의 오랜 논란거리였다. 17세기 아이작 뉴턴은 빛은 수많은 알갱이로 구성된다는 입자설을 주장했다. 하지만 18세기 토머스 영의 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 간섭무늬가 확인됐고 빛은 파동으로 밝혀졌다. 파동은 어떤 물리량이 시간과 거리의 주기를 가지고 진동하는 현상이다. 물결파는 수면 높이의 진동이고, 소리는 음압 즉 공기 압력의 진동이며, 지진파는 땅의 위치 진동이다. 빛이 파동이라면 어떤 물리량의 진동일까. 1862년 전자기 현상에 대한 막스웰 방정식이 완성돼 전자기파가 예견됐다. 전기장과 자기장이 교차로 진동하며 공간을 전파해 나가는데, 그 속도를 계산해보니 관측된 빛의 속도와 정확히 일치했다. 이 사실로 빛은 전자기파라는 것이 밝혀졌다. 빛이 물체 속에서 반사, 흡수, 굴절하는 현상은 빛의 전기장과 물체 속 전자의 상호작용 결과이다.

그런데 1905년 아인슈타인은 상식을 완전히 뒤엎는 광전효과에 관한 논문을 발표했다. 이 논문에 따르면 빛은 광자라는 무수한 알갱이로 구성됐으며, 개개의 광자는 진동수에 비례하는 에너지를 갖는다. 즉, 빛은 파동이면서 입자성을 갖는다는 이중성이 밝혀졌다. 알갱이 패킷에 갇힌 채 전기장과 자기장이 진동하는 광자의 모습이 상상된다. 파동으로 알고 있던 빛이 입자성을 갖고 있다면, 전자 양성자 중성자 등 기존 입자들도 파동성을 지니지 않을까. 1925년 드 브로이는 기존 입자들도 파동성을 갖는다는 물질파 개념을 발표했다. 이후 실험을 통해 입자의 파동성도 입증됐다.

물질파에 근거해 닐스 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등은 입자의 파동역학을 정리했다. 이 학문분야가 양자역학이다. 양자역학에 의해 물질파는 입자가 존재할 확률분포의 진동이라는 것이 밝혀졌고, 물질을 구성하는 원자와 분자의 실체가 규명됐다.

이남영 칼럼니스트



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