빛이 보여준 세상의 이치들.

빛의 물리학 - EBS 다큐프라임
EBS 다큐프라임 [빛의 물리학] 제작팀 지음, 홍성욱 감수, EBS MEDIA 기획 / 해나무 / 2014년 5월

 기독교의 성경 최초의 구절은 "빛이 있으라"이다. 태양 빛에 의존하여 모든 에너지를 얻고, 모든 것을 볼 수 있으며, 태양이 있는 시기에만 활동할 수 있는 인간과 지구생물에겐 이것 만큼 세상의 생성에 전제가 되는 구절도 따로 없었을 것이다. 그만큼 빛은 당연한 것이었고 필수적인 것이었지만 빛에 대한 궁금증과 연구도 오래되었다.

 빛에 대한 첫 번째 궁금증은 물체가 보이는 것이 물체가 빛을 뿜어 눈에 들어와 보이는 것인지 아니면 눈에서 빛이 나와 물체를 볼 수 있는지의 여부였다. 중세 아랍의 과학자들은 어두운 곳에서 밝은 곳으로 나올 때 눈이 아픔을 근거로 빛이 외부에 있는 것이라 생각했다. 그리고 외부 빛의 근원은 태양일 수 밖에 없었다.

 두 번째 궁금증은 빛의 굴절이었다. 빛은 공기에서 유리나, 물 등의 다른 매질로 들어갈 때 굴절이 일어났다. 우리 눈에는 빛이 꺽이는 것처럼 보이는데 이 굴절 각도에 특정한 비례 관계가 존재했고 이를 사인법칙으로 정리했다.

 세 번째는 빛의 속도 측정이었다. 번개가 치면 갑자기 밝아지고 해가 뜨면 세상이 밝아지는 것처럼 빛은 빠른 속도로 퍼지는게 분명했다. 빛의 속도를 재고자 갈릴레이는 먼 산에서 등불을 켜고 반대편 산에서 등불이 보이는 시간과 산 사이의 거리를 통해 빛의 속도를 측정하려고 했다. 다만 빛의 속도가 너무 빨라 이 합리적 시도는 실패한다. 빛의 속도 측정에 성공한 자는 덴마크의 천문학자 뢰메르로 그는 지구가 공전하며 목성과 가까워졌다 멀어지는데 이 때 목성의 위성들이 나타나는 시각과 지구의 공전 지름간의 관계를 이용해 빛의 속도를 측정했다. 실제의 2/3까지 정확했다.

 네 번째는 빛을 반사하는 외부물체들이 어떻게 사람의 눈에 정확히 한상으로 보이느냐 였다. 물체의 여러 점에서 빛이 나오는데 사람의 수정체가 렌즈처럼 빛을 굴절시켜 망막의 한 점에 모아 볼 수 있다는게 밝혀졌다.

 다섯 번째는 물체의 색이다. 통념은 물체가 고유의 색을 갖고 있다였으나 뉴턴은 색이 물체가 아니라 빛에 있음을 밝혀냈다. 뉴턴은 프리즘을 통해 빛 안에 여러 색이 포함되어 있음을 실험으로 입증했다.

 여섯 번째는 빛의 본질이다. 빛은 파동이란 생각이 많았으나 뉴턴에 의해 빛은 입자로 취급되었다. 빛이 만약 파동이라면 물과 같은 매질을 지나면 속도가 느려지고 입자라면 매질 사이의 압력으로 매질에서 속도가 빨라져야 한다. 현재 빛은 입자이면서 파동으로 여겨진다. 

 일곱 번재는 및의 다양한 스펙트럼이다. 뉴턴이 빛이 여러 색이 혼합임을 밝혔고 이어 보이지 않는 적외선이나 자외선 같은 빛도 발견되었다. 전자기파 역시 빛이다. 

 여덟 번째는 빛의 속도의 일정함이다. 사실 속도는 절대적이기 보다는 다른 물체의 움직임에 의해 규정된다. 다른 물체가 움직이지 않는다면 시속 100이나 그 물체가 나와 같은 방향 같은 속도로 움직이면 양자는 서로 정지한 것과 마찬가지다. 그런데 빛은 관측자나 다른 물체의 운동과 무관하게 항상 속도가 일정하다.

 언급한 것처럼 빛은 파동같았지만 뉴턴의 위상에 밀려 입자로 과학계에서 받아들여졌다. 하지만 토마스 영의 이중 슬릿 실험에 의해 빛이 파동임이 밝혀졌다. 그리고 빛은 파동이기에 전달 매개물딜이 필요했고 과학자들은 그래서 세계에는 빛을 매개하는 에테르란 물질이 가득하다 믿었다. 그리고 그 에테르를 측정하기 위한 실험이 실시되었다. 두 줄기 빛을 동시에 쏘고 앞에 반투명 거울을 놓았다. 빛 하나는 이를 통과하고 하나는 반사되어 위에 있는 거울에서 다시 반사되어 그 거울 아래의 측정이게 감지된다. 반투명 거울을 통과한 빛도 직진해 역시 맞은 편 거울에 반사되어 돌아와 이번엔 반투명 거울 아래로 반사되어 역시 같은 감지기에 측정되는 형태였다. 에테르 바람이 어디로 부는지 몰라 이렇게 여러 방향으로 같은 거리를 돌리다보면 두 빛중 하나는 에테르로 인해 속도가 느려질거란 예상이었다. 하지만 측정 결과 빛의 속도는 같았다. 에테르가 없음은 물론이요 빛의 속도가 항상 절대적으로 같을지도 모른다는 결과가 나왔다.

 아인슈타인은 모든 운동이 상대적인데 어째서 빛의 속도는 상대적이지 않은지 고민했다. 속도는 거리 나누기 시간인데 공간과 시간은 당시 절대적인 것으로 건드릴 수 없는 것이었다. 아인슈타인은 여기서 시간을 건드린다. 아인슈타인은 빠르게 움직이는 물체안에서는 빛이 이동하는 거리가 늘어남을 파악했다. 즉, 빛의 속도는 절대적이지만 시간이 상대적이므로 물체의 움직임에 따라 시간이 다르게 흐를 수 있다는 특수상대성이론의 탄생이었다.

 아인슈타인은 여기서 더 나아간다. 특수상대성이론은  중력에는 적용되지 않는다는 문제가 있었. 아인슈타인은 가속하는 물체 안에 있는 경우 몸이 가속방향의 반대로 쏠리는 현상과 지구의 중력으로 인해 물체가 지구에 붙어 있는 것이 같은 원리임을 파악한다. 즉, 가속과 중력은 같은 현상이었던 것이다. 이를 통해 아인슈타인은 중력이 공간을 휘어지게 함을 밝혀내어 특수상대성이론을 보완한 일반상대성이론을 창안한다. 아인슈타인은 절대적이라 여겨졌던 시간과 공간을 상대적으로 만들어버린 것이다.

 뉴턴은 스펙트럼 실험으로 빛 속에 여러 색이 들어있음을 밝혀냈다. 그리고 빛이 특정한 색으로 분산될때는 특정한 굴절률을 가짐을 알아냈다. 이는 빛의 색이 파장이 다르기 때문이었다. 맥스웰은 전자기파를 연구하며 전자기파가 어떻게 전달되는지를 탐구했다. 그는 세상이 작은 셀로 가득찼고 각 셀은 작은 유동바퀴로 연결되었다고 상상했다. 그리고 각 셀은 탄성을 지녀 전하 사이의 힘이 파동으로 전달된다는게 그의 생각이었다. 이것이 전자기파인데 맥스웰은 전자기파의 속도를 계산해보니 그것이 빛과 같음을 밝혀낸다. 즉, 전자기파는 빛이었던 것이다. 

 JJ톰슨은 음극선을 발사하는 음극선 실험으로 음극선에 질량이 있는 입자가 있고 그것의 질량이 수소 원자의 1/1000정도임을 알아낸다. 그리고 이 입자는 원자의 종류가 무엇이든 항상 질량이 같았는데 이것이 전자의 발견이다. 러더퍼드는 전자 질량의 7500배에 달하는 알파선을 얇은 황금막에 대학원생들을 시켜 수천번 발사했다. 그러다 2년만에 마침내 알파선이 1/8000의 확률로 튕겨나가는 현상을 감지했는데 이는 원자안에 무겁고 단단한 물질이 존재함을 입증하는 것이었다. 즉, 원자핵의 발견이었다. 

 이들의 발견으로 원자의 구성과 원자가 텅 비어있음을 밝혀졌다. 원자는 만약 축구장 크기라면 원자핵은 작은 구슬정도이고 전자는 원자 전체 크기의 10만분의 1에 불과하다. 그야말로 텅빈 수준이라 인간 한 명의 몸에서 이런 빈공간을 빼고 압축시키며 겨우 소금 알갱이 하나의 물질이 나오며 60억 인구를 마찬가지로 압축시키며 사과 한개 분량에 불과해진다. 

 막스플랑크는 흑체를 연구하며 고전물리학의 통념과는 다르게 모든 파장이 동일한 에너지로 연속적으로 나가는 것이 아니라 정수 배의 에너지 형태로만 매우 불연속적인 형태를 나타내는 것을 발견했다. 즉, 양자화되어 있는 셈이었는데 그 양자화의 규모가 매우 작다보니 세상의 에너지는 연속적인 것처럼 보였다. 이는 원자 내부의 전자의 상태로 연결되었다. 닐스보어는 원자핵이 양극이고 전자가 음극임에도 전자가 원자핵으로 떨어지지 않는 이유가 의문이었다. 뉴턴의 실험에서 빛의 스펙트럼은 각기 다른 색깔, 즉, 다른 에너지 진동수를 나타냄이 밝혀졌는데 보어는 이 스펙트럼이 원자의 내부구조와 빈공간을 알려준다고 생각했다. 보어는 플랑크 상수를 이용해 전자가 불연속 에너지를 갖는다고 추측했는데 이것이 유명한 양자도약이다. 전자는 여러 궤도에 존재할 수 있으며 가장 낮은 궤도로 갈때는 에너지를 흡수했고 높은 궤도로 갈땐 에너지를 방출했다. 이것이 스펙트럼으로 보인 것이다. 즉, 전자는 가장 낮은 궤도 더 아래론 갈수 없기에 전자가 원자핵으로 떨어지지 않는것이었다. 

 보어의 제자 하이젠 베르크는 보어의 전자 궤도를 버리고 전자파의 진동수와 세기만을 고려했다. 그는 전자의 궤도는 허상이라 생각했다. 그의 생각은 이후 다른 과학자들에 의해 더욱 발전해 지금은 전자는 입자이나 어느 한 위치에 고정되어 있지 않고 파동의 형태로 확률적으로 다양한 위치에 존재한다고 여겨진다. 즉, 전자는 물질파로 여겨진다. 하이젠 베르크에 의해 그 위치와 운동량을 정확히 잴수 없는 불확정성의 원리가 밝혀졌고, 전자가 어느 위치든 확률적으로 존재한다는 생각이 지배적이 되었다. 

 한 편 세상에는 네 가지의 힘이 있다. 이들은 처음엔 통합되어 있다 분리되었다. 빅뱅후 10의 -43초에 중력이 분리되었고, 10의 -34초에 인플레이션이 종료되자 강력이 분리되었고, 이후 순차적으로 전자기력과 약력이 분리되었다. 대통일장 이론은 이들 네 힘을 통합하여 설명하는 것이다. 현재 우주에는 12종류 입자가 있는 것으로 밝혀졌다. 쿼크 6개, 렙톤 6개이다. 그리고 위의 4가지 힘을 매개하는 입자가 존재한다. 문제는 이것들이 너무 많다는 것이다. 초끈 이론은 이들 입자들이 10의 -33cm길이에 불과한 끈들로 이루어졌다고 본다.

 이 끈들의 진동에 따라 각기 다른 성질을 갖고 변화한다는 것이다. 끈이론은 여분의 차원이 있다고 주장하며 현재의 4차원 공간에 6차원 공간이 관측불가능할정도로 매우 작게 말려있다고 본다. 즉, 세계는 10차원인 것이다. 하지만 이럴 경우 끈이론을 설명하는 이론이 무려 5개로 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 등장한 이론은 M이론이다. M은 membrane의 약자로 막이란 뜻이다. 기존 10차원에 막의 등장으로 세계는 11차원이 되며 한 차원위에선 모든 문제가 간단해지듯, 5개의 끈이론도 같은 현상을 각기 다르게 본 사례에 불과해지면 하나로 통합된다. 막이론에 의해면 끈은 막에 붙어 있거나 막에서 생성되기도 한다. 일부 M이론 과학자들은 우주의 생성은 막 들이 서로 이동하며 충돌하여 생긴 것으로 파악하기도 하며, 각 막들마다 다른 우주의 생성이 가능해 다중우주이론의 근거가 되기도 한다. 

 책은 빛에 대한 인간의 생각과 궁금증이 빛의 속도와 색 등을 알아내는 과정에서 우주의 비밀을 밝히는 상대성이론과 전자기파이론, 양자역학, 초끈이론 등으로 연결됨을 잘 보여준다. 우주와 물리에 대한 책은 읽어도 읽어도 항상 알듯 말듯 어려운데 이 책은 비교적 쉽게 읽혀져 조금이나마 이해도를 높여준 것 같다. 2014년 EBS다큐로 방영한 것을 책으로 낸 것이다.