Maxwell의 업적 이후 빛은 파동으로 받아들여지고 있었으나, 19세기말과 20세기 초에 이르러 흑체에 관한 스테판-볼츠만의 법칙과 광전효과 등 더 이상 파동으로 설명되지 않는 현상들이 발견되었다. Einstein이 1905년에 최초로 전하와 질량이 없으면서 광속도 c로 움직이고, 에너지 $\xi=h\nu$를 갖는 '광자' 라는 획기적인 개념을 제안한 이후로, 빛도 입자처럼 다루게 된다.
광자는 Spin angular momentum을 $\pm 1$로 갖는 Boson이다. Spin angular momentum을 반 정수 ($\pm 1/2$) 로 갖는 fermion의 경우 파울리의 베타원리를 만족시켜야하기 때문에 같은 상태에 존재할 수 없는 반면, Boson은 상태가 같으면 (에너지가 같으면) 구분할 수 없다. 따라서 같은 양자상태에 수 많은 광자가 같이 존재할 수 있다. 그래서 빛의 세기는 광자의 주파수와 개수에 비례한다. 한편, 단위 시간당 타겟의 면적에 도달하는 광자의 개수 photon flux는 면적에 떨어지는 Power를 각각의 에너지로 나누어 주면 된다. 수식으로 정리하면 다음과 같다.
$$ \Phi = \frac{P}{h\nu_0} $$
반복해서 이야기하지만, 전자기파는 파동형태로 운동량을 전달하고, 그로 인해 반사되거나 흡수되는 표면에 압력을 가한다. 빛이 반사되는 표면에서 받는 압력은 $2l/c$ , 흡수된다면 $l/c$ 로 받게 된다. 그런데, 혹시 살면서 빛에 압력을 느껴본 적이 있는가? 대부분 우리는 빛으로부터 압력은 느끼지 못하며 살아간다. 왜그럴까?
예를 들어보자.
하늘에는 구름 한 점 없는 어느 여름날, 산책을 위해 집밖으로 나온 당신은 고개를 들어 깨끗한 하늘을 쳐다본다. 이 때 우리 얼굴은 $10cm \times 10 cm $ 라고 하자. 광자의 운동량은 $ \vec p = \hbar \vec k $ 인데, 이 때 $\hbar \approx 10^-34 , k = \frac{2\pi}{\lambda} \approx 10^-7 $ 이므로, 운동량은 약 $10^-27$ 이다. 이 때 태양광의 단위면적당 광자 수는 대략 $10^18$개 정도 이므로, 압력은 $10^-9 N/m^2$ 정도가 된다. 사람 얼굴을 $10cm \times 10cm$로 가정했으므로, 결국 받는 압력은 $10^-11$ order정도이다. 따라서 얼굴을 하늘로 들어서 완전히 햇빛을 받는다고 해도 광자의 압력을 느낄수는 없다.
이처럼 아주 약한 힘이지만, 진공이라면 충분히 광자 압력에 의해 가속도가 발생한다. 이를 이용해 1970년대에 칼 세이건은 '우주 돛단배'라는 아이디어를 내놓았고, 현재 미국 행성협회 (The Planetary Society) 등의 단체에서 연구중이다.
