광자란 무엇입니까?

[뽀야]

광자는 전자기력을 전달하고 입자와 파동의 역할을 합니다.

                                                                   광자의 추상적 표현. (이미지 크레디트: Getty Images를 통한 Dizzo)

광자는 전자기력을 전달하는 기본적인 아원자 입자이거나 간단히 말해서 가벼운 입자(그리고 훨씬 더 많은 것)입니다. 광자는 또한 전자기 복사의 "양자" 또는 기본 단위입니다. 모든 사람은 광자에 둘러싸여 있습니다 : 당신이보고있는 화면에서 나오는 빛은 광자로 구성되어 있고, 의사가 뼈를 보는 데 사용하는 엑스레이는 광자로 이루어져 있으며, 자동차의 라디오는 광자로부터 신호를 수신하고, 냉장고의 자석은 광자를 사용하여 스스로를 지탱합니다.

다른 모든 아원자 입자와 마찬가지로 광자는 파동-입자 이중성을 나타내므로 때로는 작은 입자로 행동하고 때로는 파동으로 작용합니다. 광자는 질량이 없어 진공 상태에서 빛의 속도(초당 299,792,458미터)로 이동할 수 있으며 무한한 거리를 이동할 수 있습니다.

광자 발견

물리학자들은 수세기 동안 빛의 본질을 연구해 왔지만, 빛이 작은 입자로 만들어졌는지 아니면 본질적으로 파동과 같은지에 대한 논쟁이 왔다 갔다 했습니다. 그러나 1800년대 후반에 독일 물리학자 막스 플랑크의 선구적인 연구는 전체 그림을 바꿔 놓았습니다.

플랑크는 흑체 복사 또는 가능한 한 효율적으로 모든 주파수에서 빛을 방출하는 특수 장치의 빛을 연구하고 있었습니다. 플랑크가 나오기 전까지는 아무도 이러한 장치에서 나오는 빛의 스펙트럼을 설명할 수 없었기 때문에 플랑크는 방정식에 "수정"을 추가했습니다. HyperPhysics에 따르면 빛이 양자로 알려진 개별 에너지 덩어리에서만 방출될 수 있다고 가정함으로써 그는 흑체 스펙트럼을 완벽하게 설명하는 공식을 개발할 수 있었습니다.  

물리학자들은 플랑크의 결과를 어떻게 받아들여야 할지 정확히 알지 못했지만 몇 년 후 알버트 아인슈타인은 한 걸음 더 나아갔습니다. 아인슈타인은 빛이 금속에 비추면 금속에서 전자가 방출되는 광전 효과를 설명하기 위해 미국 물리학회에 따르면 빛 자체가 별개의 작은 덩어리로 구성되어 있다고 제안했습니다. 시간이 지남에 따라 그 작은 덩어리는 광자로 알려지게 되었습니다.

플랑크, 아인슈타인 및 다른 사람들이 빛의 본질을 연구하기 위해 노력한 것은 양자 역학의 발전을 시작했습니다.

광전 효과 — 광자가 금속 표면에 부딪힐 때 전자가 방출됩니다. (이미지 크레디트: Getty Images를 통한 petrroudny)

광자는 입자입니까?

엄밀히 말하면 광자는 입자도 파동도 아닙니다. 둘 다의 조합입니다. 어떤 상황에서는 입자와 같은 성질이 더 많이 나오고 다른 상황에서는 파동과 같은 성질이 더 분명합니다.

예를 들어, 검출기는 점과 같은 입자로 나타나는 단일 광자의 도착을 등록 할 수 있습니다. 콤프턴 산란(Compton scattering)으로 알려진 과정은 광자가 전자에 부딪히는 것을 포함하며, 이 상황에서 광자는 입자 역할을 합니다.

그러나 광자가 언제 어디서 검출기에 부딪힐지 정확히 예측하는 것은 불가능합니다. 양자 역학에서는 사건에만 확률을 할당 할 수 있습니다. McGraw Hill의 AccessScience에 따르면 이러한 이벤트는 파동에 대한 방정식으로 모델링되며, 파동의 피크는 광자를받을 확률이 높은 영역에 해당하고 저점은 낮은 확률의 영역에 해당합니다.

이 개념은 빛의 이중 파동 입자 특성(그리고 결국에는 다른 아원자 입자)을 굳힌 유명한 이중 슬릿 실험에 의해 가장 잘 예시됩니다. 빛이 두 개의 슬릿이 잘린 화면을 통과하면 화면 반대편에 있는 감지기에 간섭 패턴이 형성되어 어떤 곳에서는 파도의 봉우리가 서로 일직선이 되고 다른 곳에서는 봉우리와 골이 서로 상쇄됩니다. 한 번에 하나의 광자만 화면을 통과하지만(각 개별 광자가 입자처럼 작용함) 검출기에서 나타나는 간섭 패턴은 파동이 대신 슬릿을 통과할 때 발생하는 것과 똑같은 패턴입니다.

이중 슬릿 실험은 빛이 입자와 파동처럼 작용한다는 것을 보여줍니다. (이미지 크레디트: Shutterstock을 통한 grayjay)

광자는 질량과 운동량을 가지고 있습니까?

광자는 질량이 0이므로 우주에서 가능한 가장 빠른 속도인 빛의 속도로 이동할 수 있습니다. 그러나 그들은 에너지와 추진력을 가지고 있습니다. 캘거리 대학의 에너지 교육 웹사이트에 따르면 광자의 에너지는 플랑크의 일정한 시간에 빛의 주파수를 곱한 값에 의해 주어지고, 광자의 운동량은 플랑크의 일정한 시간에 빛의 주파수에 빛의 속도를 곱한 값으로 주어집니다.

광자가 운동량을 가지고 있다는 사실은 광범위한 응용 분야를 가능하게 합니다. 예를 들어, 태양 돛은 햇빛을 사용하여 우주선을 밀어내는 실험용 추진 장치입니다. NASA에 따르면 태양의 광자는 반사 돛에서 반사되어 돛에 추진력을 부여하고 우주선을 움직입니다.

광자는 시간을 경험합니까?

시간의 흐름 속도에 대한 우리의 이해는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 비롯되며, 이는 빛의 속도에 점점 더 가까워지는 물체가 시간의 흐름에 점점 더 느린 속도를 경험할 것이라고 말합니다. 즉, 움직이는 시계는 천천히 작동한다고 피츠버그 대학의 John D. Horton은 말합니다.

그러나 특수 상대성 이론의 수학은 빛의 속도보다 느리게 이동하는 물체에만 적용되며 빛의 속도로 이동하는 광자에는 직접 적용되지 않습니다. 따라서 과학자들이 그것을 뒷받침할 수학적 언어가 없기 때문에 시간의 흐름의 관점에서 광자가 "경험"하는 것을 말하는 것은 불가능합니다. 이것을 표현하는 또 다른 방법은 시간의 흐름이라는 개념이 광자에게 의미가 없다는 것입니다.

광자는 중력의 영향을 받습니까?

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광자는 에너지와 운동량을 모두 가지고 있기 때문에 중력의 영향을 받습니다. 중력에 대한 현대의 이해인 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 모든 형태의 에너지(질량, 운동량 및 비틀림 포함)를 가진 모든 것은 중력의 영향을 받습니다. 특히, 광자와 같은 질량이 없는 입자는 EarthSky에 따르면 한 지점에서 다른 지점까지의 최소 거리 경로인 "측지선"을 따릅니다.

일반 상대성 이론에서 시공간은 거대한 물체의 영향으로 구부러져 있습니다. 이것은 지구 자체가 구부러져 있기 때문에 제트기가 한 도시에서 다른 도시로 직진하기 위해 구부러진 경로를 따라야하는 것처럼 "최소 거리"경로를 곡선으로 만들 수 있습니다.

시공간의 곡률은 여러 가지 방식으로 광자에 영향을 미칩니다. 광자가 중력이 강한 영역에서 중력이 약한 영역으로 이동하면 에너지가 손실되어 주파수가 스펙트럼의 더 붉은 끝으로 낮아집니다. 광자가 거대한 물체 근처를 지나갈 때 운동 방향이 바뀝니다.

추가 자료

• 이 기사의 저자인 천체 물리학자 Paul M. Sutter가 주최하는 이 YouTube 동영상에서 빛과 시간의 관계에 대해 더 깊이 파고들 수 있습니다.
• 양자 역학의 본질에 대한 재미있는 탐구 (물론 광자에 대해서도 논의 함)를 보려면 물리학 자 Chad Orzel의 "How to Teach Quantum Physics to Your Dog"(Scribner, 2010)를 확인하십시오.
• Physics Asylum은 또한 여기에서 볼 수 있는 광자의 특성에 대한 훌륭한 비디오 설명을 제공합니다.

서지학

Afework, B., Boechler, E., Campbell, A., Hanania, J., Heffernan, B., Jenden, J., Street, K., & Donev, J. (2021년 22월 <>일). 광자. 에너지 교육. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Photon

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Hall, L. (2021, 6월 3일). 고급 복합 태양 돛 시스템 : 햇빛을 사용하여 심 우주 탐사에 전력을 공급합니다. 미 항공 우주국 (NASA). https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft/ACS<>  

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↑ Whitt, K.K. (2021년 8월 20일). 중력 렌즈란 무엇입니까? 어스스카이. https://earthsky.org/space/what-is-gravitational-lensing-einstein-ring/#:~:text=Gravitational%20lensing%20occurs%20when%20massive,bending%20and%20magnifying%20the%<>light