빛은 무엇일까?
이동용박사(항공기계공학), ACT뉴스 2015년 10월
하나님은 창세기(창 1:1)에서 시간과 공간과 물질을 창조하시고 곧 말씀으로 빛이 있으라(창 1:3)하여 물질 체계를 완성하셨다. 물리계는 이 네 가지 요소가 연합되어 있어서 어느 하나 독립적인 존재를 생각할 수 없다. 오늘날 시간과 공간을 나눌 수 없기 때문에 함께 묶어 하나의 시공(space-time)으로 다룬다. 또 공간을 점유하고 있는 물질, 이 둘을 서로 분리해 낼 수 없다. 그리고 빛이 없는 시간과 물질을 상상할 수 없는 것으로 이해하고 있다. 그러면 빛은 무엇일까?
우주에서 빛은 근본적인 에너지이다. 우주는 이 빛 에너지로 가득 차 있다. 여기서 빛은 우리 눈으로 볼 수 있는 가시광선과 불가시 영역의 모든 것을 말한다. 프리즘을 통과하는 빛은 빨주노초파남보 7개 무지개 색으로 분광된다. 사람의 눈은 파장이 긴 적색(800 나노미터)부터 보라색(400 나노미터)까지 볼 수 있다. 건강한 눈 일지라도 적색 보다 파장이 긴 적외선과 또 보라색 보다 파장이 짧은 자외선을 볼 수 없다.
오늘날 과학자들은 빛을 전자기적 모든 영역의 에너지인 전자기파(Electro-magnetic wave)로 여긴다. 물론 전자기파 외에 또 다른 형태도 있겠지만 현재 과학기술이 감지할 수 있는 에너지는 파장이 긴 전파에서부터 파장이 매우 짧은 감마선까지이다. 그러니까 우리 눈으로 볼 수 있는 가시광선은 극히 좁은 영역의 빛인 셈이다.
진공에서 빛의 속도는 299,792.458m/s로 초당 약 30만Km를 이동하는 속도이다. 빛이 1초 동안 이동하는 거리가 1광초(light second) 거리이고 빛이 1년 동안 달리는 거리를 1광년(light year = 9.5x1012Km)으로 정의하며 천문학에서 광년이 거리의 기본 단위이다. 천문학에서 이렇게 진공에서 빛의 이동 속도를 거리의 기준 척도로 사용한다.
그런데 진공에서 빛의 속도가 절대적이며 우주에서 가장 빠른 속도인 것으로 과거에 생각하였지만[1] 오늘날 빛의 속도는 중력장이나 자기장 등 통과하는 영역에 영향을 받는다는 것이 통념이다. 2000년 NEC는 세슘챔버를 통과하는 빛에 대한 실험을 통해 빛의 속도가 진공에서 보다 300배 이상 더 빨라짐을 확인한 바 있다[2]. 이렇게 실험을 통하여 이제 우주를 달리는 빛이 절대적인 기준을 제공하는 물리량이 아님을 보여 주게 된 것이다.
빛의 특성에 대한 연구는 1609년 갈릴레이가 렌즈를 이용한 망원경을 제작함으로 시작되었다고 볼 수 있다. 그 후 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 내부에 대하여 깊이 있는 연구가 가능하게 되었다.
렌즈를 통한 빛의 반사와 굴절 등 특성에 대한 연구 외에 빛의 본질에 대한 연구 또한 계속되어왔다. 희랍시대 원자설을 주장한 데모크리토스 (Democritus, 460-370BC)는 빛을 여러 가지 색을 가진 작은 알맹이들로 생각하였다. 17세기에 호이겐스(Christian Huygens)는 빛을 마치 물결치는 매질로 보고 파동설을 소개하였지만, 18세기 초 뉴톤이 입자설을 지지함으로써 한동안 빛은 입자라고 인정되어 왔다. 그러나 1801년 영국의 영(Thomas Young: 1773-1829)이 빛의 간섭 현상을 실험적으로 발견[3], 다시 빛의 파동설이 과학적 근거를 갖게 됨으로써 입자설과 파동설이 양립하게 되었다.
파동설이 지지를 받게 되자 이 분야의 과학자들은 우주공간에 빛의 파동을 전달할 수 있는 매질(에테르)을 찾기 시작하였고 이 매질을 통하여 빛의 본질을 설명해 보려고 하였으나 마이클손-몰리(Michelson-Morley)의 실험으로 빛의 진행은 매질과 무관한 것으로 드러나게 되었다.[4] 1864년 맥스웰(Maxwell)은 역학에 포함되지 않는 새로운 전자기 이론을 완성하였는데, 이를 통해서 빛도 본질적으로는 파장이 매우 짧은 전자기파로 보게 되었다. 그러나 20세기 초 맥스웰의 전자기파 이론으로 설명할 수 없는 금속 표면에 빛을 비출 때 전자가 튀어나오는 광전효과 현상이 실험을 통해서 확인됨에 따라서 빛의 본질에 대한 이해는 또 벽에 부딪히게 되었다.
이 광전효과를 설명하기 위해 아인슈타인은 1905년 광양자 가설을 제안하였다. 이 가설은 불연속적인 에너지 덩어리 개념으로 빛을 설명한다. 아인슈타인은 이 가설로 양자론의 발전에 크게 기여하였고 빛에 대한 현대적 해석인 파동-입자 이중성의 개념을 확장시켰다. 그 결과 입자설과 파동설을 모두 조화시킨 광양자(Photon)의 개념으로 빛을 설명하게 되었다.
여기서 주목할 것은 빛뿐만 아니라 후에 발견된 모든 다른 미립자들도 파동과 입자의 이중성을 함께 갖는 것으로 밝혀지고 있다는 것이다. 아무튼 지금까지 많은 과학자들이 빛의 본질에 대하여 여러 학설로 설명하려고 시도하였지만, 그러나 과연 빛이란 궁극적으로 무엇인가? 순수한 입자도 아니고 순수한 파동도 아닌 두 가지 성질을 함께 갖는 존재라고 말할 수 있을 뿐이다. 이렇게 과학자들에게 빛에 대한 그 실체는 아직도 규명되지 아니한 미스테리인 것이다.
하나님께서 욥에게 “빛이 어디에서 오고, 어둠이 어디로 가는지 아느냐?”(욥 38:19)라고 물으실 때로부터 수천 년이 흘렀지만, 물리학은 빛이 정확히 무엇인지 아직 모르며, 어떻게 존재하게 되었는지는 더더욱 답할 수 없다. 그렇다. 인간은 빛의 근원에 대해 성경을 떠나서 결코 답을 알 수 없다. 하나님은 지금도 우리에게 빛의 놀라운 특성들을 통해 빛을 만드신 그 첫째 날의 명령에 대해 상기시키신다.
“하나님이 이르시되 빛이 있으라 하시니 빛이 있었고, 그 빛이 하나님이 보시기에 좋았더라”(창 1:3,4).
[1] Rainwater, C. and Perlman, R., Light and Color, Western Publishing Company, 1971.
[2] Wang, L., NEC Success in Superluminal Light Propagation Proves Light Can Travel Faster than its Speed in Vacuum, NEC Press Release 2000/7/19-01, 2000.
[3] Young, T., Experimental Demonstration of the General Law of the Interference of Light, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 94, 1804.
[4] Michelson, A. A. and Morley, E., On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether, American Journal of Science, 34(203): 333-345, 1887.
