빛은 입자인가, 파동인가?

가시광선의 정확한 성질은 수 세기 동안 인간을 당혹스럽게 해온 미스터리로, 많은 과학자와 철학자는 빛은 입자인가, 파동인가?란 질문에 대한 답을 찾기 위해 지금도 분투하고 있습니다.

고대 피타고라스학파에 속한 그리스 과학자들은 눈에 보이는 모든 물체는 일정한 입자 흐름을 방출한다고 가정한 반면, 아리스토텔레스는 빛이 바다의 파도와 유사한 방식으로 이동한다고 결론지었습니다.이런 개념은 시간이 흐르면서 수많은 수정과 상당한 수준의 진화를 거쳤음에도 불구하고, 그리스 철학자들에 의해 시작된 논쟁의 본질은 오늘날까지 남아 있습니다.

빛에 관한 이론: 입자인가 파동인가?

빛을 본질적으로 파동과 유사하다고 가정하는 견해가 있습니다. 이 견해에 따르면, 빛은 고요한 연못에 돌이 떨어졌을 때 잔물결이 연못의 표면 전체에 퍼지는 것과 유사한 방식으로 공간을 가로지르는 에너지를 생성합니다.반대되는 견해에서는 빛이 정원 호스 노즐에서 분사되는 작은 물방울과 같이 입자의 일정한 흐름으로 구성된다고 주장합니다.

지난 몇 세기 동안, 일정 기간 동안 한 가지 견해가 지배적이다가 다른 견해에 대한 증거가 나오면 뒤집히는 등, 두 견해 사이에 합의가 잘 이루어지지 않았습니다.20세기의 첫 수십 년 동안에만 종합적인 답을 제시하기에 충분히 설득력 있는 증거가 수집되었으며, 놀랍게도 두 이론이 적어도 부분적으로는 옳은 것으로 밝혀졌습니다.

18세기 초, 과학계는 빛의 성질에 대한 논쟁을 두고 저마다 자신이 지지하는 이론의 타당성을 놓고 격렬하게 싸우는 두 진영으로 나뉘었습니다.파동 이론에 동의한 한 과학자 집단은 네덜란드인 Christiaan Huygens의 발견사항을 중심으로 주장을 펼쳤습니다.반대 진영은 Isaac Newton 경의 프리즘 실험을 증거로 인용하며 빛이 입자의 소나기처럼 이동하며 각 입자는 굴절, 흡수, 반사, 회절 또는 다른 방식으로 교란될 때까지 직선으로 계속 이동한다고 주장했습니다.

비록 Newton 자신도 빛의 성질에 대한 본인의 입자 이론에 다소 의구심을 갖고 있는 것처럼 보였으나, 과학계에서 그가 차지하는 위신이 너무나도 큰 나머지 그의 지지자들은 격렬한 이론 전쟁을 펼치는 동안 다른 모든 증거를 무시해 버렸습니다.

빛의 성질이 파동과 유사하다는 개념을 기반으로 하는 Huygens의 빛 굴절 이론에 따르면 모든 물질에서 빛의 속도는 굴절률에 반비례합니다.다시 말해, Huygens는 빛이 물질에 의해 "휘어지거나" 굴절될수록 그 물질을 가로질러 이동하는 동안 빛의 속도가 더 느려진다고 가정했습니다.그의 추종자들은 빛이 입자의 흐름으로 구성되어 있다면, 밀도가 높은 매질로 들어가는 빛은 매질의 분자에 의해 이끌려 속도가 감소하기는커녕 오히려 증가하기 때문에 반대의 결과가 발생할 것이라고 결론지었습니다.

이 주장에 대한 완벽한 해결책은 공기와 유리 같은 서로 다른 물질에서 빛의 속도를 측정하는 것이지만, 그 시기에는 그런 작업을 수행할 만한 장치가 없었습니다.빛은 통과하는 물질에 상관없이 같은 속도로 이동하는 것처럼 보였습니다.그로부터 150년 이상이 흘러서야 비로소 Huygens 이론이 맞았다는 것을 증명할 정도의 높은 정확도로 빛의 속도를 측정할 수 있게 되었습니다.

Isaac Newton 경의 높은 명성에도 불구하고, 1700년대 초의 유명 과학자들 중 그의 입자 이론에 동의하는 사람은 많지 않았습니다.혹자는 빛이 입자로 구성되어 있다면, 2개의 빔이 교차할 때 입자의 일부가 서로 충돌하여 광 빔에 편향이 발생할 것이라고 주장했습니다.이는 분명히 사실이 아닙니다. 따라서 이들은 빛이 개별적인 입자로 구성되었을 리 없다는 결론을 내렸습니다.

빛의 파동 이론

Huygens는 자신의 직관에 따라 1690년 논문 Traité de la Lumière에서 광파는 공기와 공간 전체에 걸쳐 무형으로 존재하는 신비로운 무중력 물질인 에테르에 의해 매개되는 공간을 통해 이동한다는 이론을 제시했습니다.에테르에 대한 탐구는 19세기 동안 상당한 양의 자원을 쏟아부은 끝에 결국 중단되었습니다.적어도 1800년대 후반까지 지속된 에테르 이론은 에테르가 빛 전파 방향에 수직인 각도로 진동함으로써 광파를 운반함을 증명한 Charles Wheatstone의 제안 모델과 무형 물질의 구조를 설명하는 James Clerk Maxwell의 상세 모델을 통해 입증되었습니다.

Huygens는 에테르가 빛과 동일한 방향으로 진동하며 광파를 운반하면서 스스로 파동을 형성한다고 믿었습니다.이후 논문 Huygens' Principle(하위헌스의 원리)에서, 그는 파동의 각 점이 어떻게 자체적인 웨이블릿을 생성한 다음 합쳐져 파면을 형성할 수 있는지 독창적으로 설명했습니다.Huygens는 이 개념을 사용하여 굴절 현상에 대한 세부 이론을 만들었으며 광선이 경로를 통과할 때 서로 충돌하지 않는 이유에 대해 설명했습니다.

광 빔이 굴절률이 다른 두 매질 사이를 이동할 때, 빔은 굴절을 겪게 되며 첫 번째 매질에서 두 번째 매질로 통과할 때 방향을 바꿉니다.광 빔이 파동으로 구성되어 있는지 입자로 구성되어 있는지 확인하려면 각각에 대한 모델을 고안하여 현상을 설명할 수 있습니다(그림 3).

Huygens의 파동 이론에 따르면, 각 각진 파면의 작은 부분은 나머지 면이 경계면에 도달하기 전에 두 번째 매질에 충돌해야 합니다.이 부분은 파동의 나머지가 여전히 첫 번째 매질에서 이동하는 동안 두 번째 매질을 통해 이동하기 시작하지만, 두 번째 매질의 더 높은 굴절률로 인해 더 느리게 움직입니다.파면은 이제 2개의 다른 속도로 이동하므로 두 번째 매질로 휘어지고, 전파 각도가 변경됩니다.

반대로, 입자 이론에서는 빛의 입자가 한 매질에서 다른 매질로 통과할 때 왜 방향을 바꿔야 하는지 설명하기가 다소 어렵습니다.입자 이론의 지지자들은 경계면에 수직으로 향하는 어떤 특수한 힘이 입자가 두 번째 매질로 들어갈 때 입자의 속도를 변경하는 역할을 한다고 주장합니다.이 힘의 정확한 성질은 추측에 맡겨졌으며, 이론을 입증할 증거는 수집되지 않았습니다.

두 이론을 훌륭히 비교한 또 다른 결과에서는 빛이 거울과 같은 매끄러운 반사면에서 반사될 때 발생하는 차이를 포함합니다.파동 이론에서는 광원이 모든 방향으로 퍼지는 광파를 방출한다고 추정합니다.거울에 충돌한 파동은 도달 각도에 따라 반사되지만, 각 파동이 앞뒤가 바뀌면서 반전된 이미지가 생성됩니다(그림 4).도달하는 파동의 모양은 광원이 거울에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라 크게 좌우됩니다.가까운 광원에서 나오는 빛은 구형의 고도로 휘어진 파면을 여전히 유지하는 반면, 원거리 광원에서 방출되는 빛은 더 많이 퍼지고 거의 평면에 가까운 파면으로 거울에 충돌합니다.

빛의 입자성 성은 굴절 현상보다 반사 현상과 관련하여 훨씬 더 두드러집니다.근거리든 원거리든, 광원에서 방출된 빛은 입자의 흐름으로 거울 표면에 도달하며, 이런 입자는 튕겨 나가거나 매끄러운 표면에서 반사됩니다.입자는 매우 작기 때문에, 엄청난 수의 입자가 전파되는 광 빔에 포함됩니다. 이때 입자들은 상당히 밀접한 거리에서 나란히 이동합니다.

거울에 충돌한 입자들은 서로 다른 지점에서 튕겨 나오므로, 반사 시 광 빔에서 순서가 반대로 되어 그림 4에 나와 있는 것과 같이 반전된 이미지가 생성됩니다.입자 이론과 파동 이론 모두 매끄러운 표면에서의 반사를 적절하게 설명합니다.하지만, 입자 이론은 표면이 매우 거칠 경우 입자가 다양한 각도로 튕겨 나가면서 빛을 산란시킨다는 점 또한 시사합니다.이 이론은 실험적 관찰과 매우 밀접하게 들어맞습니다.

입자와 파동은 또한 물체의 가장자리에 부딪혀 그림자를 형성할 때 서로 다르게 작용해야 합니다(그림 5).Newton은 자신의 1704년 저서 Opticks(광학)에서 "빛이 구부러진 통로를 따라가거나 그림자로 휘어진다고 알려진 바 없다"고 즉각 지적했습니다.이 개념은 빛 입자는 항상 직선으로 이동해야 한다고 주장하는 입자 이론과 일치합니다.입자가 장벽의 가장자리에 부딪히면 그림자가 생성되는데, 장벽에 막히지 않은 입자들은 직선으로 계속 진행하고 가장자리 뒤로 퍼져나갈 수 없기 때문입니다.거시적 척도에서 이 관찰은 거의 정확하지만, 훨씬 작은 규모의 빛 회절 실험에서 얻은 결과와는 일치하지 않습니다.

빛이 좁은 슬릿을 통과하면 빔이 퍼지고 예상보다 더 넓어집니다.근본적으로 중요한 이 관찰은 빛의 파동 이론에 상당한 신뢰성을 부여합니다.물속의 파동처럼, 물체의 가장자리에 부딪히는 광파는 가장자리 주변에서 휘어지면서 기하학적 그림자로 나타나는데, 이는 광 빔이 직접적으로 비추지 않는 영역입니다.이러한 작용은 반사되는 대신 뗏목의 끝을 감싸는 물결과 유사합니다.

Newton과 Huygens가 이론을 제시한 지 거의 100년 후, 영국의 물리학자 Thomas Young은 빛의 성질이 파동과 유사하다는 주장을 강력하게 뒷받침하는 실험을 수행했습니다.Young은 빛이 파동으로 이루어진다고 생각했기 때문에, 2개의 광파가 만나면 어떤 유형의 상호 작용이 일어날 것이라고 추론했습니다.

이 가설을 시험하기 위해, 그는 좁은 단일 슬릿이 있는 스크린을 사용해 일반 햇빛으로부터 간섭성 광 빔(동상으로 전파되는 파동 포함)을 생성했습니다.태양 광선이 슬릿에 부딪히면 광선은 퍼지거나 회절되어 단일 파면을 생성합니다.이 파면이 2개의 슬릿이 밀접하게 배치된 두 번째 스크린을 비출 수 있게 되면, 서로 완벽하게 나란한 2개의 간섭성 광원이 추가로 생성됩니다(그림 6 참조).각 슬릿에서 나와 두 슬릿 사이의 중간에 있는 한 지점으로 이동하는 빛은 완벽하게 나란히 도달해야 합니다.

결과로 발생하는 파동은 서로를 보강하여 훨씬 더 큰 파동을 만듭니다.그러나, 중심점의 양쪽에 있는 점을 고려한다면, 한 슬릿에서 나오는 빛이 중심점의 반대쪽에 있는 두 번째 점에 도달하기 위해서는 훨씬 더 멀리 이동해야 합니다.이 두 번째 지점에 더 가까운 슬릿에서 나오는 빛은 멀리 있는 슬릿에서 나오는 빛보다 먼저 도달하기 때문에 두 파동은 서로 나란하지 못하고 서로를 상쇄시켜 어두운 영역을 생성할 수 있습니다.

추측했던 대로 Young은 두 번째 슬릿 세트에서 나오는 광파가 퍼지면서(또는 회절되면서) 서로 만나 중첩되는 것을 발견했습니다.어떤 경우에는 중첩 시 두 파동이 정확히 나란하게 결합하고,다른 경우에는 광파가 서로 약간 혹은 완전히 나란하지 않게 결합했습니다.

Young은 파동이 나란히 만났을 때 보강 간섭이라고 하는 과정을 통해 합쳐지는 것을 발견했습니다.나란하지 않게 만나는 파동은 서로를 상쇄하는데, 이 현상은 상쇄 간섭으로 알려져 있습니다.이 두 극단 사이에서 다양한 수준의 보강 간섭과 상쇄 간섭이 발생하여 진폭의 스펙트럼이 넓은 파동이 생성됩니다.Young은 2개의 슬릿 뒤에 설정된 거리로 배치한 스크린에서 간섭의 효과를 관찰할 수 있었습니다.회절된 후 간섭에 의해 재결합된 빛은 스크린 길이를 따라 일련의 밝은 무늬와 어두운 무늬를 생성합니다.

Young의 이런 결론은 중요해 보였음에도 불구하고, 주로 빛의 입자 이론에 대한 압도적인 믿음 때문에 그 당시 널리 받아들여지지 않았습니다.빛 간섭에 대한 관찰 외에도, Young은 서로 다른 색의 빛은 길이가 다른 파동으로 구성된다고 가정했는데, 이는 오늘날 널리 받아들여지고 있는 기본 개념입니다.이와는 반대로, 입자 이론 지지자들은 질량이 다르거나 다른 속도로 이동하는 입자로부터 다양한 색이 파생된다고 가정했습니다.

간섭 효과는 빛에만 적용되지 않습니다.웅덩이나 연못의 표면에서 생성되는 물결은 모든 방향으로 퍼지며 동일한 작용을 거칩니다.2개의 물결이 나란히 만나면, 이 둘은 합쳐져 보강 간섭을 통해 더 큰 물결을 만듭니다.나란하지 않은 물결은 충돌하면서 상쇄 간섭을 통해 서로를 상쇄시키고 수면은 평평해집니다.

교차 편광자 사이에서 광 빔의 작용을 주의 깊게 조사하자 빛의 파동성 성질에 대한 더 많은 증거가 발견되었습니다(그림 7).편광 필터는 단일 방향을 갖는 빛만 통과할 수 있는 독특한 분자 구조를 가지고 있습니다.다시 말해, 편광자는 편광 물질 내에서 단일 방향으로 향하는 작은 슬랫의 열로 이루어진 특수한 유형의 분자 구조인 베네시안 블라인드(Venetian blind)로 간주될 수 있습니다.광 빔이 편광자에 충돌할 수 있게 되면, 편광 방향과 평행한 방향의 광선만 편광자를 통과할 수 있습니다.두 번째 편광자가 첫 번째 편광자 뒤에 배치되고 같은 방향을 향한다면, 첫 번째 편광자를 통과하는 빛은 두 번째 편광자도 통과하게 됩니다.

하지만, 두 번째 편광자가 작은 각도로 회전한다면 통과하는 빛의 양은 감소하게 됩니다.두 번째 편광자가 첫 번째 편광자의 방향과 수직이 되도록 회전하는 경우, 첫 번째 편광자를 통과하는 빛은 두 번째 편광자를 통과하지 않습니다.이 효과는 파동 이론으로 쉽게 설명되지만, 입자 이론을 어떻게 조정해 보아도 빛이 두 번째 편광자에 의해 어떻게 차단되는지 설명할 수 없습니다.사실, 입자 이론은 간섭과 회절(나중에 동일한 현상의 발현인 것으로 밝혀지는 효과)을 설명하기에 적당하지 않습니다.

편광으로 관찰된 효과는 빛이 전파 방향에 수직인 성분을 갖는 횡파로 이루어진다는 개념의 발전에 결정적이었습니다.각 횡단 성분에는 편광자를 통과하거나 편광자에 의해 차단될 수 있는 특정한 방향이 있어야 합니다.편광 필터와 평행한 횡단 성분이 있는 파동만 통과하고 다른 모든 파동은 차단됩니다.

1800년대 중반까지 과학자들은 빛이 파동성 특성을 점점 더 확신하게 되었지만, 부담스러운 질문 하나가 여전히 남아 있었습니다. 빛이란 정확히 무엇일까요?영국의 물리학자 James Clerk Maxwell이 모든 형태의 전자기 복사는 연속 스펙트럼을 나타내며 진공을 통해 동일한 속도(초당 186,000마일)로 이동한다는 것을 발견하면서 돌파구가 마련되었습니다.Maxwell의 발견은 입자 이론을 효과적으로 잠재웠고 20세기 초에 들어서는 빛과 광학 이론의 기본적인 질문이 마침내 그 답을 얻은 것처럼 보였습니다.

하지만 1880년대 후반 과학자들이 특정 조건에서 빛이 여러 금속의 원자로부터 전자를 제거할 수 있다는 사실을 처음 발견하면서 빛의 파동 이론은 이면에서 큰 타격을 입었습니다(그림 8).처음에는 신기하고 설명할 수 없는 현상에 지나지 않았지만, 다양한 금속에서 자외선이 전자의 원자를 제거하여 양전하를 생성할 수 있다는 사실이 곧 발견되었습니다.독일의 물리학자 Philipp Lenard는 이러한 관찰 결과에 관심을 갖게 되었고 이를 광전 효과라 칭했습니다.Lenard는 프리즘을 사용해 백색광을 성분 색으로 분할한 다음, 각 색을 선택적으로 금속판에 집속시켜 전자를 방출했습니다.

Lenard는 자신이 발견한 것을 보고 혼란과 놀라움을 느꼈습니다.빛의 특정 파장(예: 파란색)에서 전자는 일정한 전위 또는 고정된 양의 에너지를 생성했습니다.빛의 양을 줄이거나 늘리면 방출되는 전자의 수도 그에 상응하여 증가하거나 감소했지만, 각각의 경우에도 여전히 동일한 에너지를 유지했습니다.다시 말해, 원자 결합에서 이탈하는 전자는 빛의 강도가 아닌 빛의 파장에 의존하는 에너지를 갖고 있었던 것입니다.이는 파동 이론에서 예상할 수 있는 것과 반대됩니다.Lenard는 또한 파장과 에너지의 연결고리를 발견했는데, 바로 파장이 짧을수록 더 많은 양의 에너지를 갖는 전자가 생성된다는 것이었습니다.

1800년대 초 William Hyde Wollaston이 태양의 스펙트럼이 빛의 연속적인 띠가 아니라 수백 개의 빠진(missing) 파장을 포함하고 있음을 발견하면서 빛과 원자의 연결을 위한 토대가 확립되었습니다.독일의 물리학자 Joseph von Fraunhofer는 빠진 파장에 해당하는 500개 이상의 좁은 선을 지도로 만들었는데, 그는 가장 큰 틈에 알파벳 문자를 지정했습니다.나중에, 그런 틈은 태양의 바깥층에 있는 원자들이 특정 파장을 흡수함으로 인해 생긴다는 것이 밝혀졌습니다.비록 그 당시에는 그 근본적인 영향이 이해되지 않았지만, 이러한 관찰은 원자와 빛의 첫 번째 연결고리 중 일부였습니다.
 

빛의 입자 이론

1905년, Albert Einstein은 파동성 성질에 대한 압도적인 증거에 관계없이 빛이 실제로는 어느 정도 입자 특성을 가질 수 있다고 가정했습니다.Einstein은 자신의 양자 이론을 발전시키면서 금속의 원자에 부착된 전자가 특정 양의 빛(처음에는 양자라고 했지만 나중에 광자로 용어가 변경됨)을 흡수할 수 있고 따라서 탈출할 에너지를 가질 수 있다고 수학적인 증거를 통해 제안했습니다.그는 또한 광자의 에너지가 파장에 반비례한다면 파장이 짧을수록 더 높은 에너지를 갖는 전자가 생성될 것이라고 추정했는데, 이는 Lenard의 연구 결과에서 탄생한 가설입니다.

Einstein의 이론은 1920년대에 미국의 물리학자 Arthur H. Compton의 실험을 통해 공고해졌습니다.그는 물질과 에너지가 서로 교환 가능하다는 이론을 뒷받침하는 필요 조건인 운동량을 광자가 가지고 있음을 입증했습니다.거의 같은 시기에 프랑스의 과학자 Louis-Victor de Broglie는 모든 물질과 방사선이 입자와 파동을 모두 닮은 성질을 갖는다고 주장했습니다.De Broglie는 Max Planck의 지도에 따라, 질량 및 에너지와 관련된 Einstein의 유명한 공식이 다음과 같이 플랑크 상수를 포함한다고 추정했습니다.

E = mc2 = hν

여기서 E는 입자의 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도, h는 플랑크 상수, ν는 진동수입니다.입자의 에너지 및 질량에 파동의 진동수를 관련시키는 De Broglie의 연구는 빛의 파동성 및 입자성을 모두 설명하는 데 궁극적으로 사용될 수 있는 새로운 분야를 개발하는 데 기초가 되었습니다.
 

빛의 이중성: 입자와 파동

양자 역학은 전자기 복사가 현재 이중성(입자성 작용 및 파동성 작용)이라고 불리는 것을 어떻게 나타낼 수 있는지 설명하려 했던 Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger 및 다른 과학자들의 연구에서 탄생했습니다.때때로 빛은 입자로 작용하고 때로는 파동으로 작용합니다.

빛의 이론과 작용에 대한 이 상호 보완적 또는 이중적인 역할은 굴절, 반사, 간섭, 회절에서 편광 및 광전 효과의 결과에 이르기까지 실험을 통해 관찰된 모든 알려진 특성을 설명하는 데 사용될 수 있습니다.빛의 성질은 결합되어 함께 작용하고 우리가 우주의 아름다움을 관찰할 수 있게 해줍니다.