물리학의 주요 주제인 빛 이야기

빛으로 말하는 현대물리학 - 광속도 C의 수수께끼를 추적 ㅣ 전파과학사 Blue Backs 블루백스 78
고야마 게이타 지음, 손영수 옮김 / 전파과학사 / 2018년 3월

다윈은 윌리엄 톰슨이 지구 나이를 수천만년이라고 주장한 것을 보며 그렇다면 도저히 원시 생물이 인간으로까지 진화할 수 없다고 생각했다. 지구 나이 문제에 돌파구가 된 것은 19세기에 방사성 원소가 발견되면서부터다. 이에 대해 런던의 한 대중지는 최후 심판의 날이 연기되었다고 말했다. 방사성 원소의 붕괴는 열원일뿐 아니라 지구 나이를 측정하는 시계로서 주목을 받았다. 갓 태어난 우주는 물질을 구성하는 원자는커녕 전자, 양성자, 중성자 등도 아직 형성되지 않은 채 빛 에너지만 충만한 상태였다. 우주배경복사는 빅뱅 후 38만년이 지난 시점 직진을 시작한 빛의 흔적이다. 이를 빛의 화석 또는 빅뱅의 잔광(殘光)이라 한다. 절대온도 3K까지 내려간 찬 빛(전파)이 우주의 모든 방향으로부터 균일하게 오고 있다. 

온도가 내려가는 과정에서 전자와 양성자 등의 입자가 형성되고 그것을 바탕으로 가벼운 원소가 생성되었다. 최초로 연주시차(年周視差)를 측정한 사람은 독일의 천문학자 프리드리히 베셀이다. 영국의 물리학자 토머스 영은 빛의 파장설을 주장했다. 뉴턴은 빛은 입자라고 보았다. 뉴턴의 학설과 다른 주장을 했다는 이유로 여론의 질타를 받은 환멸감을 느끼고 원래 직업인 의사 일을 하는 한편 고고학 연구로 진로를 바꾸어 로제타석을 해독했다. 로제타석은 나폴레옹이 거느린 프랑스군이 이집트 나일강 하구의 로제타에서 발굴한 현무암 석판(石板)을 말한다. 물론 완전한 해독에 성공한 사람은 프랑스 언어학자 샹폴리옹이다. 물론 뉴턴은 명확하게 빛은 입자라 말하지 않았다. 

뉴턴은 미소(微小)한 물질, 직선적으로 진행한다 같은 표현을 했다. 질량보존의 법칙, 산소 등을 발견한 라부아지에는 빛도 자연계의 물질을 구성하는 원소(입자)라고 보았다. 이는 라부아지에가 뉴턴의 영향하에 있었음을 의미한다. 프레넬은 영의 간섭 이론의 불충분함을 보완하고 회절 현상을 일반적으로 기술하는 파동 이론을 제창했다. 회절은 빛이 장애물 뒤로 돌아가는 현상을 말한다. 마이클 패러데이가 19세기를 대표하는 실험가였다면 제임스 맥스웰은 19세기를 대표하는 이론가였다. 전자기파의 속도는 광속과 같다는 것이 밝혀졌다. 맥스웰은 빛은 전자기파라는 결론을 도출했다. 질량이 큰 물질이 맹렬하게 운동하면 거기서부터 중력의 파동이 광속도로 전파해 간다는 것이 상대성이론으로부터 도출되었다. 

전자기력에 비해 중력의 효과는 너무 미약해서 그것을 실험으로 포착하는 것은 너무 어려운 일이다. 초신성 폭발 같은 거대 질량이 관계하는 천체 현상을 볼 필요가 있다. 2015년 9월 14일 우주의 중력파가 사상 최초로 관측되었다. 중력파는 아인슈타인이 예측한 파로 블랙홀 두 개의 충돌에서 비롯되었다. 이 중력파가 미국에 있는 라이고 검출기까지 도달하는 데 걸린 시간은 13억년이었다. 비스마르크는 제철(製鐵)에 주력했다. 문제는 높은 온도를 어떻게 정확하게 측정하는가, 였다. 열복사(熱輻射)가 필요하다. 가열된 물체가 빛을 즉 전자기파를 복사하는 현상이다. 물체의 온도에 따라 빛의 스펙트럼이 변화한다. 

검은 철도 가열하면 빨갛게 되고 더욱 온도가 올라가면 오렌지색, 백색으로 바뀌어간다. 색깔을 보면 온도를 알 수 있다. 측정과 일치하지 않았다. 막스 플랑크가 스펙트럼을 나타내는 수식을 발표했다. 여기에는 당시까지 물리학계에 없었던 기묘한 가설이 포함되어 있었다. 열복사로부터 나오는 진동수의 빛(전자기파) 에너지는 hv를 단위로 하여 정수배의 값만 가질 수 있었다. 불연속적으로 점프하며 변화하는 것이다. 소수점은 허락되지 않는 것이다. 이렇게 띄엄띄엄한 에너지를 양자(量子)라 한다. 아인슈타인은 진동수 v(뉴)는 hv라는 에너지를 갖는 입자로서의 성질도 갖는다고 생각했다. 빛은 파동인 동시에 입자라는 의미다. 

빛 입자를 광양자(光量子) 또는 광자(光子)라고 한다. 자극을 주는 방식에 따라, 실험의 종류에 따라 파동으로 나타나기도 하고 입자로 나타나기도 하는 것이 빛이다. 금속에 빛을 충돌시키면 전자가 튀어나온다. 이것이 광전효과다, 물론 언제라도 전자가 튀어나오는 것은 아니다. 파장이 긴 빛을 아무리 강하게 충돌시켜도 금속으로부터 전자는 튀어나오지 않는다. 빛이 광자라고 하는 에너지 덩어리(탄환)가 되어 전자에 충돌해야 하는 것이다. 레이저는 단색성(單色性)과 지향성(指向性)이 뛰어난 빛이다. 루이 드 브로이는 파동이라고 생각되던 빛에서 입자성을 볼 수 있다면 입자(물질), 이를테면 전자가 파동성을 나타낸다는 것도 생각할 수 있을 것이라 생각했다. 

파동과 입자의 관계는 양방향성이다. 파동과 입자의 이중성은 빛뿐 아니라 일반 입자에도 적용되는 보편 현상이었다. 러더퍼드는 원자의 중심에는 양전하가 응집한 핵이 있고 그 주위를 음전하의 전자가 회전하고 있다는 사실을 확인했다. 전자가 회전 운동을 하면 빛(전자기파)을 방출하면서 에너지를 잃어가야 하지만 그렇지 않았다. 닐스 보어는 핵 주위를 회전하는 전자는 특정 궤도 밖에 취할 수 없다고 가정했다. 즉 인공위성처럼 궤도를 임의로 선택하는 것은 허용되지 않는 것이다. 이렇게 특정 궤도를 도는 것을 정상상태(定常狀態)라 한다. 보어는 전자는 빛을 방출하지도 않고 에너지를 잃지도 않는 것이라고 가정했다. 

그런데 전자가 어떤 궤도로부터 다른 궤도로 옮겨갈 때 그 에너지차 E에 대응하는 진동수의 빛이 방출된다는 것이다. 이렇게 되면 원자로부터 나오는 빛의 스펙트럼은 연속적이지 않고 파장은 띄엄띄엄한 값만 갖는 것이다. 원자에 속박되어 있는 전자도 파동으로서의 측면에 주목하면 기타의 현(絃)과 마찬가지로 정재파(定在波)를 형성하는 것이다. 폴 디랙이 전자의 파동성을 기술하는 앙자 역학의 방정식을 상대성 이론에 합치하도록 고쳐 썼다. 이때 방정식의 답으로서 전자의 에너지에 플러스만이 아니라 마이너스 값이 쌍을 이루며 나타났다. 디랙은 현실에 맞는 플러스 값만 취하고 그렇지 않은 것은 버리는 안일한 방식을 취하지 않았다. 

디랙은 마이너스의 에너지 상태는 다른 전자에 의해서 꽉 채워져 있다고 보았다. 전자는 낯가림이 심한지 하나의 에너지 상태에는 절대로 한 개의 전자밖에 들어가지 않는다. 광자는 같은 에너지 상태에 여러 개의 것이 수용된다. 모든 자리가 만원이 되어 있다면 플러스의 에너지 상태의 전자가 아래로 떨어져 내릴 걱정은 없어진다. 디랙의 가설에 의하면 진공이란 공허한 공간이 아니라 마이너스의 에너지인 전자가 충만해 있는 상태라는 이야기가 된다. 마이너스 에너지의 전자는 그대로는 관측에 걸리지 않지만 어떤 방법으로 그것을 플러스의 에너지 상태로까지 끌어올려주면 보통의 전자로서 포착할 수 있다. 

진공을 무대로 감마선(에너지)이 소멸되면 대신 입자(질량)가 생성된다. 전자와 양전자는 반드시 쌍으로 나타난다. 전자와 양전자가 충돌하면 쌍소멸이 일어나며 감마선이 발생한다. 디랙이 예언한 양전자가 관측된 것은 1932년이다. 반양성자가 발견된 것은 1955년이다. 모든 입자가 반입자를 갖는다. 광자는 자기 자신이 반입자다. 물질과 반물질의 비대칭이 생긴 것은 어째서일까? 10억 개 당 하나꼴의 비대칭이다. 붕괴 방식에 미세한 차이가 생긴 결과다. 상대를 찾지(만나지) 못한 입자만이 살아남았다. 반입자가 거의 없어졌을 때 우주에는 입자만이 남았다. 우주가 탄생했을 때 모든 힘은 서로 구별이 되지 않았다. 

팽창과 더불어 중력, 강한 핵력, 약한 핵력, 전자기력이 분화한 것으로 보고 있다. 아무리 물질의 근원이 되는 기본 입자(우주의 부품)가 마련되어 있더라도 그것에 힘이 작용하지 않으면 우주에 별이나 생명은커녕 원자조차도 탄생할 수 없었을 것이다. 빛이 힘이다. 별의 형성에 있어서 중력 상수 G의 역할을 생각해 보자. 별은 우주 공간에 떠돌아 다니는 가스가 중력의 작용으로 서로 끌어당겨져서 수축하는 데서부터 태어난다. 수축이 진행되면 가스 덩어리의 밀도가 충분히 높아지면서 중심부에서 수소 핵융합이 일어나고 이때 헬륨이 생성된다. 이때 막대한 에너지가 광자(감마선)로서 방출된다. 마하자면 태양(항성)이 되기 위한 점화 스위치가 눌려지는 것이다. 

발생한 감마선은 별의 내부에서 가스와 충돌하여 조금씩 에너지를 잃어간다. 상실된 에너지는 열로 전환한다. 이로써 별의 중심부에서 온도와 압력이 높아진다. 그 결과 중력에 의한 가스의 수축에 제동이 걸린다. 중력에 의한 수축과 핵융합의 균형이 잡혀 태양은 수 십억년에 걸쳐 안정 상태로 정착한다. 에너지를 잃은 감마선은 서서히 파장이 길어져서 별의 바깥층 부분에 도달할 무렵에는 가시 광선으로 모습을 바꾸어 우주로 복사된다. 중력 상수가 현재 값보다 컸다면 가스 수축은 멎지 않고 진행되어 감으로써 태양은 짧은 기간에 연소되고 만다. 우주에는 짧은 수명으로 빛을 잃어버리는 별이 연달아 태어났다가 사라져 가게 된다. 중력 상수가 현재 값보다 작았다면 가스 수축이 뜻대로 되지 않으며 우주에 반짝이는 별들이 태어날 가능성은 없어진다. 인간과 같은 생명체가 태어난 것은 기적이라 할 수 있다.