[양자역학 찍먹 2편] 빛으로 맞아봤니?

[양자역학 찍먹 2편] 빛으로 맞아봤니? - 아인슈타인

[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]

[▶ 2편 : 빛으로 맞아봤니? - 아인슈타인 편]

[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]

안녕하세요!
지난 1편에서 열 에너지가 '양자'라는 사실을 알아보았습니다.

오늘은 그 설정이 '빛'에도 적용되면서 벌어지는 대사건을 다룹니다.

#1. 동전 꺼내기 게임

상상을 해봅시다.
바닥에 작은 구멍이 있고, 그 안에 동전이 하나 쏙 들어가 있습니다.
손을 대지 않고 이 동전을 구멍 밖으로 튀어 오르게 하면 100만 원을 줍니다.

단, 둘 중 하나의 방법만 쓸 수 있다고 합니다.

1) 구멍을 향해 고함을 지른다. (우와앙~!)
2) 구멍을 향해 비비탄 총을 쏜다. (탕!)

여러분이라면 뭘 고르시겠습니까?
당연히 2번이죠?
소리를 100년 동안 질러봤자 동전은 꿈쩍도 안 하니까요.

이게 바로 우리가 경험적으로 알고 있는 ‘파동(소리)’과 ‘입자(총알)’의 차이입니다.
입자는 ‘물리적 타격’을 줄 수 있으니까요.

▲ '파동(소리)'으로는 동전을 꺼낼 수 없다. '입자(총알)'여야 동전을 튕겨올릴 수 있다.

#2. 아인슈타인: "빛으로도 싸다구(?)가 가능합니다"

자, 여기서 질문 하나 드릴게요.
여러분, 살면서 햇빛에 '맞아' 보신 적 있나요?
눈이 부신 거 말고, 누가 돌멩이를 던진 것처럼 "악! 아파!" 하고 멍이 든 적요.
없으시죠?

그래서 인류는 아주 오랫동안 당연히 생각했습니다.
"빛은 소리처럼 부드럽게 퍼지는 '파동'이다."
빛에 걸려 넘어지거나, 빛에 맞아서 코피가 난 사람은 없으니까요.


그런데 말입니다.
20대 특허청 공무원이었던 아인슈타인이 사고를 칩니다.

아까 그 '동전 꺼내기 게임'과 같은 원리인데요.
금속판(미니 구멍)에 빛을 쏘아봤더니,
안에 박혀있던 전자(미니 동전)들이
총알 맞은 것처럼 밖으로 마구마구 튀어 오른 겁니다.

소리(파동)인 줄 알았는데,
총알(입자)처럼 동전을 때려서 날려버린 거죠!
이 충격적인 현상을 <광전효과 : 빛으로 전자를 튕겨올리는 효과>라고 부릅니다.
이걸로 아인슈타인은 과학계의 슈퍼스타가 되고 노벨상을 받습니다.

▲ 빛을 금속박에 쏘면 전자가 튀어나온다. 빛이 '총알'과 같은 '입자'라는 증거

#3. 빛알갱이 : 우주인증 '정품규격 양자'

더 소름 돋는 건, 이 빛 알갱이가
각기 제멋대로 생긴 돌멩이가 아니라는 겁니다.

아인슈타인이 여러 실험을 통해 역추적해 보니,
이 빛 알갱이들은 우주 글로벌 인증 단 1개의 규격에 맞게 생산된
그야말로 정량정품의 '양자'였습니다.
우리 우주에는 단 1종류의 빛알갱이만 있습니다.



#4. 혼돈의 문이 열리다! (아사리판의 서막)

이 발견은 과학 역사상 가장 큰 '아사리판'을 열어젖힙니다.

왜냐고요?
아까 말했듯, 우리 경험상(그리고 수많은 실험상) 빛은 분명히 '파동'이었거든요.
빛 두 개를 겹쳐서 밝아지게도 하고 어두워지게도 하는 건
입자가 아닌 파동만 할 수 있는 묘기니까요.

[상황 요약]

기존 상식: 빛은 파동이다. (때릴 수 없다)

아인슈타인: 빛은 입자다. (때려서 전자를 날려버린다)

과학 역사상 최초로 ‘니 말도 맞고’ ‘내 말도 맞는’
논리적 오류 같은 현상이 현실이 되어버렸습니다.

도대체 빛의 정체는 뭘까요?
이 혼란을 틈 타, 판을 더 키우는 사람이 등장합니다.

#예고편 : 스케일이 커진다

빛이 이중인격자인 것도 머리 아픈데,
프랑스의 한 대학원생이 손을 들고 정신 나간 질문을 던집니다.

빛이 파동인데 입자라면, 혹시 '전자'나 '야구공'이나...
'제 몸'도 파동 아닐까요?”

점점 미쳐 돌아가는 양자역학! 다음 화,
<물질파: 저도 파동인데요?> 편에서 계속됩니다.



#덧1. 뉴턴의 200년 만의 부활

사실 아인슈타인보다 200년 앞서
"빛은 입자다!"라고 주장했다가 까인 사람이 있습니다.
바로 사과 아저씨, 아이작 뉴턴입니다.

뉴턴은 <광학>이라는 책까지 써가며 빛이 입자라고 우겼지만,
당시엔 "빛에 맞아서 아픈 사람이 어딨냐"며 파동설에 밀려 패배했었죠.
아인슈타인은 200년 만에 뉴턴의 무덤을 열고
"형님, 역시 형님이 맞았습니다!"라고 외친 셈입니다.



#덧2. 이론 vs 증명 (노벨상의 조건)

뉴턴이 먼저 주장했지만,
노벨상은 그걸 실험으로 '증명'한 아인슈타인이 받았습니다.

아인슈타인의 상대성이론도 마찬가지입니다.
이론은 아인슈타인이 만들었지만,
100년 뒤 '킵 손' 박사가 실험으로 증명하고 나서야 노벨상을 받았습니다.
킵 손 박사는 우리가 잘 아는 영화 '인터스텔라'의 중력과학 자문이기도 합니다.

과학은 '썰(이론)'이 아니라 '팩트(증명)'를 좋아하거든요.

- 모순같은 양자역학의 시작점 "아인슈타인"의 일생이 궁금하다면? [여기]를 클릭

- 아인슈타인보다 200년 앞서 빛이 알갱이라 주장했던 "뉴턴"의 일생은? [여기]를 클릭

[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]

[▶ 2편 : 빛으로 맞아봤니? - 아인슈타인 편]

[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]