빛은 인류가 가장 오랫동안 연구해온 자연 현상이지만 그 본질을 이해하는 데는 수천 년이 걸렸습니다. 17세기부터 20세기 초까지 빛이 파동인지 입자인지를 둘러싼 논쟁이 이어졌고, 놀랍게도 답은 둘 다라는 것이었습니다. 빛의 이중성은 양자역학의 핵심 개념이 되었고 현대 물리학의 토대를 이루고 있습니다. 오늘은 빛의 이중성, 파동과 입자라는 두 얼굴의 공존에 대해서 살펴보겠습니다.
빛의 본질을 둘러싼 3세기에 걸친 논쟁
17세기 빛의 본질에 대한 두 가지 상반된 이론이 등장했습니다. 아이작 뉴턴은 빛이 미세한 입자의 흐름이라고 주장했습니다. 빛이 직진하고 반사되며 굴절하는 현상을 입자 모델로 설명할 수 있었기 때문입니다. 뉴턴의 권위는 절대적이었고 입자설이 한동안 지배적이었습니다. 반면 크리스티안 하위헌스는 빛이 파동이라고 주장했습니다. 파동은 매질을 통해 전파되며 회절과 간섭 같은 현상을 자연스럽게 설명할 수 있었습니다. 하지만 당시에는 빛의 간섭 현상이 명확히 관측되지 않았고 뉴턴의 명성에 가려 하위헌스의 이론은 주목받지 못했습니다. 1801년 토마스 영의 이중슬릿 실험이 판도를 바꿨습니다. 영은 좁은 두 개의 슬릿에 빛을 통과시켜 스크린에 명암의 간섭무늬가 나타나는 것을 관찰했습니다. 이것은 파동의 특징적인 현상으로 입자로는 설명할 수 없었습니다. 두 슬릿을 통과한 빛의 파동이 서로 간섭하여 보강간섭이 일어나는 곳은 밝고 상쇄간섭이 일어나는 곳은 어두워진 것입니다. 19세기 중반 제임스 클러크 맥스웰이 전자기학 이론을 완성하면서 빛은 전자기파라는 것이 확립되었습니다. 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 공간을 전파하는 파동이 바로 빛이었습니다. 파동설의 완전한 승리처럼 보였습니다.
빛의 이중성
파동이론으로 설명되지 않는 현상의 등장
1887년 하인리히 헤르츠는 금속에 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 광전효과를 발견했습니다. 이 현상 자체는 놀랍지 않았지만 세부 특성이 파동 이론과 맞지 않았습니다. 파동 이론에 따르면 빛의 강도가 세면 더 많은 에너지를 전달하므로 전자가 더 큰 운동에너지를 가지고 튀어나와야 했습니다. 하지만 실험 결과는 달랐습니다. 아무리 밝은 빛을 비춰도 빛의 진동수가 특정 값보다 낮으면 전자가 전혀 나오지 않았습니다. 반대로 진동수가 충분히 높으면 아주 약한 빛으로도 즉시 전자가 방출되었습니다. 전자의 운동에너지는 빛의 강도와 무관하게 오직 진동수에만 비례했습니다. 이것은 파동 이론으로는 도저히 설명할 수 없는 현상이었습니다. 1905년 아인슈타인은 플랑크의 양자 가설을 확장하여 광전효과를 설명했습니다. 빛이 광자라는 입자로 이루어져 있고 각 광자는 진동수에 비례하는 에너지를 가진다는 것입니다. 금속 내부 전자는 일정한 에너지 이상을 받아야 탈출할 수 있는데, 광자 하나의 에너지가 이 문턱 에너지보다 커야 광전효과가 일어납니다. 빛의 강도는 광자의 개수일 뿐이므로 진동수가 낮으면 아무리 많은 광자를 쏘아도 전자를 방출시킬 수 없습니다. 이 설명은 모든 실험 결과와 완벽하게 일치했고 아인슈타인은 이 업적으로 1921년 노벨상을 받았습니다.
콤프턴 산란과 광자의 운동량
1923년 아서 콤프턴은 X선을 전자에 충돌시키는 실험을 했습니다. 산란된 X선의 파장이 입사한 X선보다 길어지는 현상이 관찰되었습니다. 이것을 파동으로 설명하려면 전자가 X선의 진동수를 바꿀 방법이 없었습니다. 하지만 광자를 입자로 보고 당구공처럼 충돌한다고 생각하면 완벽하게 설명되었습니다. 광자가 전자와 충돌하면서 에너지와 운동량을 잃고, 에너지를 잃은 광자는 진동수가 낮아지므로 파장이 길어집니다. 파장의 변화량은 산란 각도로 정확히 예측되었고 실험과 일치했습니다. 콤프턴 산란은 광자가 에너지뿐 아니라 운동량도 가진다는 것을 보여주었습니다. 질량이 없는 광자가 운동량을 가진다는 것은 고전역학으로는 불가능하지만 상대성이론과 양자론을 결합하면 자연스러운 결과입니다. 광자의 운동량은 파장에 반비례하므로 파장이 짧은 감마선은 큰 운동량을 가지고 파장이 긴 전파는 작은 운동량을 가집니다. 이것은 태양광 돛 같은 기술의 원리가 됩니다. 태양에서 오는 무수한 광자들이 돛에 충돌하면서 운동량을 전달하고 우주선을 가속시킬 수 있습니다.
이중슬릿 실험의 놀라운 결과
현대 기술로 이중슬릿 실험을 광자 하나씩 수행할 수 있게 되었습니다. 광원의 세기를 극도로 낮춰서 한 번에 하나의 광자만 슬릿을 통과하도록 합니다. 만약 빛이 순수한 입자라면 각 광자는 두 슬릿 중 하나만 통과하고 스크린에는 두 개의 띠가 나타나야 합니다. 하지만 실제로는 시간이 지나면서 점점 간섭무늬가 형성됩니다. 단일 광자조차 파동처럼 행동하여 두 슬릿을 동시에 통과하는 것처럼 보입니다. 광자 자신과 간섭하는 것입니다. 더 놀라운 것은 어느 슬릿을 통과했는지 측정하려고 하면 간섭무늬가 사라진다는 사실입니다. 관측 행위가 광자의 행동을 바꿉니다. 관측하지 않으면 광자는 파동처럼 행동하고 관측하면 입자처럼 행동합니다. 이것이 상보성 원리입니다. 파동성과 입자성은 동시에 나타나지 않고 실험 조건에 따라 하나씩 드러납니다. 빛의 이중성은 우리의 상식적인 이해를 넘어섭니다. 빛은 파동도 아니고 입자도 아니며 양자역학적 객체라는 완전히 새로운 존재입니다. 우리가 파동이나 입자라는 고전적 개념으로 설명하려고 하는 것 자체가 한계입니다.
물질의 파동성과 양자역학의 완성
1924년 루이 드브로이는 대담한 제안을 했습니다. 빛이 파동이면서 입자라면 전자 같은 물질 입자도 파동성을 가지지 않을까? 그는 모든 입자가 파장을 가지며 그 파장은 운동량에 반비례한다는 물질파 이론을 제시했습니다. 처음에는 순수한 사변으로 여겨졌지만 1927년 데이비슨과 거머의 실험으로 증명되었습니다. 전자빔을 니켈 결정에 쏘았을 때 X선과 똑같은 회절 패턴이 나타난 것입니다. 전자가 파동처럼 행동한다는 직접적 증거였습니다. 이후 중성자, 원자, 심지어 거대분자에서도 파동성이 확인되었습니다. 물질파의 발견은 양자역학을 완성시켰습니다. 슈뢰딩거는 드브로이의 물질파 개념을 수학적으로 정식화하여 슈뢰딩거 방정식을 만들었습니다. 이 방정식은 입자의 파동함수가 어떻게 진화하는지 기술하며 원자구조, 화학결합, 고체의 성질 등 거의 모든 미시세계 현상을 설명합니다. 전자현미경은 물질파의 실용적 응용입니다. 전자의 파장이 가시광선보다 훨씬 짧기 때문에 빛으로는 볼 수 없는 나노 스케일 구조를 관찰할 수 있습니다. 파동-입자 이중성은 이제 양자역학의 기본 원리로 받아들여지며 반도체, 레이저, 양자컴퓨터 등 현대 기술의 토대가 되었습니다. 빛과 물질의 본질에 대한 탐구는 우주를 이해하는 근본적인 방식을 바꾸었고 인류 문명을 변혁시켰습니다.