빛의 물리학(Physics of the light)
EBS 다큐프라임제작팀
1. 빛과 시간(특수상대성 이론)
아인슈타인은 나와 상대의 움직임을 계산할 수 있다고 했는데, 즉 자동차를 50km로 주행할 때 100km로 달리는 오토바이를 탄 사람은 50km의 속도를 보게 되지만, 정지한 사람이 보는 속도는 100km으로 보인다. 또한 100km로 달리는 오토바이에서 본 빛이나, 50km으로 달리는 자동차에서 본 빛이나 혹은 역주행을 하더라도 빛의 속도는 항상 30만km로 광속이 불변한다는 것을 알았다.
아인슈타인은 또한 달리는 기차 안에서 같은 거리에 있는 빛을 반사했을 때 동시에 빛이 닿지만, 기차 밖에서 바라보면 기차가 가는 방향의 빛이 먼저 당도하고 뒤쪽의 빛이 늦게 당도한다는 것을 알게 되었다. 왜냐하면 열차 안의 속도는 열차의 속도+빛의 속도이므로 모든 관찰자에게서 광속불변을 지키려면 열차의 속도가 없어져야 지켜지기 때문이다. 그래서 열차의 속도가 빨라질수록 그 정도의 속도를 없애기 위해 열차 안에서는 그만큼 시간이 느리게 흐른다.
2. 빛과 공간(일반상대성 이론)
영국 왕립 도서관에는 45살에 뉴턴이 자필로 쓴 "프린키피아“가 있다. 1665년 뉴턴은 달이 왜 떨어지지 않고 지구를 돌고 있는가를 생각하다가, 갈릴레오의 관성의 법칙, 즉 움직이는 물체는 계속 움직이려하고 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려 하는 것(차안에 있는 사람이 차가 움직일 때와 멈출 때 앞으로 움직이는 현상)에서 영감을 얻는다. 공이 땅에 떨어지는 것은 중력 때문인데, 공이 땅에 닿으려 할 때 땅을 계속 없애면 공의 운동은 지속되어 지구를 자전하게 된다.
땅의 마찰력이 없는 우주에서는 만유인력 때문에 두 물질이 붙게 되는데, 사과를 우주의 달과 같은 높이에서 놓으면, 질량이 있는 물질은 서로 잡아당기므로, 지구가 사과를 중력으로 잡아당겨 달과 같이 지구를 돌게 된다. 1905년 특수상대성 이론을 발표한 아인슈타인은 11년 후 중력이 잡아 당겨서 떨어지는 것이 아니라 공간이 휘는 것이라는 일반상대성이론을 발표하게 된다.
3. 빛의 추적자
대학을 다니다 전염병 때문에 고향에 내려온 뉴턴은 색깔에 대한 연구를 한다. 붉은색의 사과는 빛을 차단하면 검은색으로 보이는데, 아리스토델레스는 사물 안에 색이 있어 빛이 없어도 존재한다고 믿었다. 뉴턴이 살던 시대에는 원래 흰색의 빛이 어둠을 통해서 색이 달라진다고 생각했다.
1665년 뉴턴은 어둠속 공간을 벽에 작고 둥근 구멍을 통해 삼각 프리즘에 빛을 쏘이자 길쭉한 모양의 빛을 보고 하나의 빛을 분해하면 7개의 길쭉한 색이 나온다고 생각했다. 빨주노초파남보 색이 빨강은 파장이 짧으며 갈수록 파장이 길어져 길쭉한 모양을 한다는 것을 당시에는 알지 못했다.
다만, 뉴턴은 2개의 프리즘에 빛을 반사하여 푸른색이 일정하다는 것을 알게 되었다. 스펙트럼의 색깔은 파장이 다르기 때문이라는 것과 가시광선보다 파장이 길거나 짧은 것은 우리 눈에 보이지 않는데, 자외선, 엑스선(인체를 통과), 적외선(전자레인지), 전파(라디오, TV에 이용)등이 그렇다.
멕스웰은 물체와 물체 사이의 공간에 셀이 가득하고, 전류가 셀을 회전시키면 잔물결처럼 파동으로 퍼져 나가는 전자기파가 생긴다는 것을 알게 되었다. 또한 전자기파 속도는 초속 31만kw로 빛의 속도와 비슷하다는 것을 측정한 맥스웰은 빛과 전자기파 속도가 같다는 것을 알았다.
4. 빛과 원자
1803년 돌턴은 물질이 더 이상 쪼개질 수 없는 원자로 구성되어 있다고 발표해 노벨상을 받았고, 뢴트겐은 X선을, 퀴리부인은 라듐을 발견해 노벨상을 받았다. 1897년 톰슨은 진공관실험으로 원자 안에 전자와 양성자가 있다는 것을 알았다. 러더퍼드는 원자 안에 전자가 있으며 중심에 있는 원자핵은 진공 속에 떠있는 좁쌀과 같다는 것을 알게 되었다. 인간의 몸에서 진공을 빼면 소금 한 알 크기보다 작아지고, 지구도 사과 크기로 작아진다.
보어는 전자가 원자핵으로 끌려들어가지 않고 계속 도는 것에 의문을 갖고 연구하던 중 1913년 우연히 스펙트럼 공식을 보게 된다. 선 스펙트럼은 빛의 순서를 나열한 공식을 보고 전자가 원자 안에서 불연속적으로 탁탁 튀며 간다는 것으로 생각해 검증을 시작했다. 양자역학으로 보면 우리에게 매끄럽게 들리는 바이올린 소리도 뚝뚝 끊어지게 들린다.
5. 빛과 양자
1927년 벨기에 브뤼셀에서 전자와 광자를 주제로 5차 솔베이 회의가 열렸는데, 48살의 아인슈타인과 42살의 보어는 7일간 치열한 토론을 했다. 하이젠베르크 또한 보어의 원자 모델에 의문을 가졌다. 원자의 중심에 원자핵이 있고 전자가 정해진 궤도를 따라 돌면서 에너지를 흡수하면 위로 이동하고 에너지를 방출하면 빛을 내면 아래로 내려온다는 보어의 주장에서 하이젠베르크는 궤도를 빼 버렸다.
전자의 진동수와 세기를 계산하려면 기존의 공식을 벗어나야 한다고 생각해 횡렬 수학을 통해 순서가 의미를 갖는다는 것을 알게 된 하이젠베르크는 공식을 만들어 낸다. 하이젠베르크의 횡렬 역학은 학회에서 주목을 받게 되고, 아인슈타인의 집에 초대를 받아 질문을 받는데, 하이젠베르크는 전자에서 궤도를 무시한 것은 그릴 수 없기 때문이라고 대답했다.
보어는 전자가 궤도를 돌고 있다고 하고, 하이젠베르크는 그 궤도를 없앴지만 슈뢰딩거는 전자가 파동으로 이글어지며 원의 궤도를 돈다고 말했다. 상자를 원자라고 가정할 때 그 안에 전자라고 가정한 움직이는 공을 넣은 후 칸을 막으면 한쪽 공간에는 전자가 있지만 다른 공간에는 전자가 없다. 원자의 세계에서 전자의 위치를 확률적으로 알 수 있다는 것을 알려면 상식을 버려야 한다. 독가스가 나오는 방안의 고양이의 생사를 보지 않았을 때 알 수 없듯이, 관측을 하지 않았을 때는 확률로만 존재한다는 것이다.
하이젠베르크는 원자를 볼 수 없다는 결론을 내리는데, 원자를 보려면 빛을 비추면 볼 수 있지만 전자의 위치와 운동을 관측할 수가 없다는 것이 불확정성의 원리다. 즉 인간이 불완전해 볼 수 없다는 것이다. 아인슈타인은 죽을 때까지 하이젠베르크의 불확정성의 원리와 양자역학을 받아들이지 않아 오점을 남겼으며 하이젠베르크는 노벨상을 수상한다.
6. 빛과 끈
아인슈타인이 미국동부 프린스턴에서 말년을 보낼 때 아인슈타인은 구시대의 인물로 여겨지고, 양자역학 연구가 주류를 이뤘다. 질량이 있는 것은 서로 잡아당기며 달이 직선으로 떨어지는 것을 지구의 중력이 잡아당긴다는 뉴턴은 궁극의 이론으로 모든 것을 설명하려 하지만 실패한다. 아인슈타인의 상대성이론이 통하지 않는 곳은 양자의 세계로 그 공간은 난장판이 되어 양자역학 외에는 설명할 수가 없게 된다.
힘은 4가지로 설명할 수 있는데, 중력, 전자기력(빛의 일종으로 원자의 세계) 약력, 강력이며, 현재 물리학자들은 전자기력, 약력, 강력을 하나로 합치는데 성공하지만 중력을 같이 합치지는 못했다. 원래 하나의 점이었던 우주가 빅뱅으로 대폭발 되면서 4가지의 힘으로 분리되어 지금의 우주가 되었다.
유럽통합연구소는 우주가 최초로 만들어진 실험으로 쿼크 6종과 렙톤 6종의 12입자를 발견하는데, 우주는 점이 아니라 하나는 둥글고 하나는 긴 끈이었다는 주장의 끈이론이 나온다. 강력을 연구하던 베네치아스는 처음으로 끈이론을 발견하는데, 강력과 상관없는 입자 중력자가 발견되면서 문제가 된다.
점이 아닌 끈은 길이가 있어 공간을 가진다는 의미로 양자역학과 상대성이론을 통일해 설명할 수 있다. 모든 입자는 열려있는 끈과 닫혀 있는 끈으로 진동한다는 초끈이론은 불확정성의 원리와 상대성이론을 설명할 수 있지만 방법이 5개가 된다는 문제가 있다. 궁극의 이론은 모든 물리학자가 찾는 해답이이지만 아직 우리는 물질의 비밀을 완전히 풀지 못하고 있다.