빛은 무엇일까?

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Sunday, 10 April 2005

어두움이 깊을수록 빛은 귀하고 밝다. 인생 여정에서 어두운 고난의 터널을 지날 때 희미한 촛불 같은 빛이라도 볼 수 있다면 누구나 그 빛을 향하여 질주할 것이다. 때로는 사면초가로 낙심되는 어두운 현실에서도 밝은 빛을 만나면 소망을 갖게 된다. 빛은 또한 우리에게 기쁨을 준다. 밝은 태양이 떠오를 때 기쁨이 샘 솟는다. 환하게 장식된 전기 불빛에서도 우리는 기쁨을 얻게 된다. 봄날의 따사롭게 비치는 햇살은 더욱 감사가 넘치고 감동을 준다. 신비한 빛, 과연 빛이 없는 세계를 상상이나 할 수 있을까?

물리학에서 빛에 대한 연구 분야를 광학(Optics)이라고 한다. 광학은 빛의 반사와 굴절 등 기하학적인 물리현상을 연구한다[2,3]. 빛에 대한 체계적인 연구는 1609년 갈릴레이가 렌즈를 이용한 망원경을 제작함으로 시작되었다고 볼 수 있다. 그후 망원경을 통하여 천체 관측이 용이해 졌고, 거의 같은 시기에 현미경이 개발되어서 세균과 같은 작은 미물들을 관찰할 수 있게 되었다. 따라서 거시의 세계인 천체와 미시의 세계인 물질 내부의 세계에 대하여 깊이 있는 연구가 가능하게 되었다.

렌즈를 통한 빛의 반사와 굴절에 대한 연구 외에도 빛의 본질에 대한 연구가 계속되어 왔다. 희랍시대 물질의 원자설을 주장한 데모크리토스 (Democritus 460-370BC)는 빛을 여러 가지 색을 가진 작은 알맹이(입자)들로 생각하였다. 1678년 호이겐스(Christian Huygens: 1629-1695)는 빛을 마치 물결치는 매질로 생각하여 파동설을 주장하였지만, 1704년 뉴톤이 입자설을 지지함으로써 한 동안 빛은 입자라고 인정되어 왔다. 그러나 1801년 영국의 영(Thomas Young: 1773-1829)이 빛의 간섭현상을 실험적으로 발견[4], 다시 빛의 파동설이 과학적 근거를 갖게 됨으로써 입자설과 파동설이 팽팽하게 양립하게 되었다.

빛의 파동설이 점차 지지를 받게 되자 이 분야의 과학자들은 우주공간에 빛의 파동을 전달하는 매질을 도입하여 설명해 보려고 하였으나 마이클손-몰리(Michelson-Morley)의 실험결과 빛의 진행은 이와 무관한 것으로 알려지게 되었다.[5] 1864년 맥스웰(Maxwell)은 역학에 포함되지 않는 새로운 전자기 이론을 완성, 빛도 본질적으로 매우 파장이 짧은 전자기파(Electromagnetic wave)로 생각하였다. 그러나 20세기 초에 맥스웰의 전자파 이론으로 도저히 설명이 불가능한 광전효과(금속 표면에 빛을 비출 때 전자가 튀어나오는 현상)가 실험을 통해서 알려짐에 따라서 빛의 본질에 대한 이해는 또 벽에 부딪히게 되었다.

1905년 아인쉬타인은 빛의 입자(알맹이)설과 파동설을 모두 조화시킨 광양자(Photon: 빛의 에너지 입자)의 개념을 소개하였다. 그 후 오늘날까지 빛의 본질에 대하여서는 순수한 입자도 아니고 순수한 파동도 아닌 두 가지 성질을 함께 갖는 존재로 이해되고 있다. 여기서 주목할 것은 빛 뿐만 아니라 후에 발견되는 모든 다른 미립자들도 파동과 입자의 이중성을 함께 지닌 존재임이 밝혀지고 있다는 점이다. 그러나 과연 빛이란 궁극적으로 무엇인지 그 실체는 아직도 규명되지 아니한 미스테리이다

Author: 이동용