"빛이 뭐야?"
빛에 대한 호기심은 인류가 빛을 의식하면서부터, 다시 말하면 인류가 탄생하면서부터였다고 볼 수 있다.
성경 창세기 첫 구절에도 빛에 관한 이야기가 나온다.
우리가 탄생하면서부터 빛은 존재했으므로, 어쩌면 당연하다고 볼 수도 있겠다.
"하나님 가라사대 빛이 있으라 하시매 빛이 있었고 …" – 창세기 1장 3절 중
인류는 기원전 약 8000년 경부터 빛을 이용한 최초의 도구 - 거울을 사용했다. 최초에는 흑요석의 깨진 부분을 사용하다가, 구리, 청동을 거쳐 오늘날의 유리 거울은 1세기경 레바논에서 최초로 사용했다고 전해진다.
이후 세월이 한참 흘러 1608년에는 네덜란드에서 4 배율 망원경을 최초로 개발했고, 이어 1년 뒤에는 갈릴레오가 9 배율 망원경을 개발했다. 그는 이 망원경을 이용해 인류 최초로 달의 분화구를 그려냈다.
다시 처음으로 돌아가서 빛이 뭘까에 대해 고민해보자. 빛이 뭔지 알기 위해서, 성질을 고려해볼 수 있을 것이다.
유클리드는 기원전 300년경에 빛이 직진한다는 사실을 자각했고, 빛이 반사하고 굴절하는 성질은 965년 알하젠이 발견했다.
중세로 접어들어 최초의 광학 서적을 출판한 아이작 뉴턴경은 빛을 입자로 생각했다. 그는 프리즘을 통해 빛의 스펙트럼을 관찰하면서 각각의 색이 고유의 진동수로 진동하는 미립자이며 백색광은 독자적인 여러 색깔의 혼합으로 구성되어있다고 주장했다. 1612년에는 스넬에 의해 굴절률에 관한 법칙인 '스넬의 법칙'을 발견한다.
그런데 17세기 중반들어 그리말디가 발견한 회절 현상과 로버트 훅이 발견한 박막으로 인한 색깔 띠는 입자로 설명할 수 없는 것이었다. 따라서 학자들은 빛이 '에테르'라는 가상의 매질을 통하는 횡파라고 생각하기 시작했고, 토마스 영의 회절격자 무늬 관측과 호이겐스가 방해석을 통해 발견한 편광 특성은 이 주장에 힘을 실었다. 또, 호이겐스 원리를 통해 파동으로 해석하기 어려웠던 빛의 직진성마저 수학적으로 깔끔하게 증명해냈다. 결정적으로 멕스웰이 전자기파에 대한 4개의 방정식을 정리하고, 수학적으로 계산한 전자기파의 진행속도가 빛의 속도와 일치함을 발견해냄으로써 빛이 전자기파의 한 형태이며 파동임을 증명했다.
이로써 빛은 에테르를 진행하는 횡파로써 정의 되는 듯했으나...
19세기 말, 마이컬슨과 몰리는 실험을 통해 에테르가 없음을 증명했다. 그리고 플랑크는 아주 설명하기 까다로웠던 흑체복사 문제를 뜬금없이 빛의 에너지가 양자화되어 있다고 가정하고 나서 완벽히 설명해냈다. (물론 이때까지도 빛은 파동으로 다뤘으므로 빛의 에너지가 연속적이지 않다는 아이디어는 발표 당시에는 주목받지 못한다.)
그리고 1905년, 아인슈타인은 브라운운동, 상대성이론, 광전효과에 대한 기념비적인 논문 세편을 발표한다. 아인슈타인은 빛을 "질량이 없는 에너지 입자들의 흐름"으로 주장했고, 플랑크 상수를 통해 광전효과를 완전히 설명해냄으로써 노벨상을 수상했다.
그렇다면 빛은 입자일까 파동일까? 결국 빛은 우리의 인지 밖에 있는 또 다른 상태 - 입자이자 파동인 것이다.
빛은 질량이 없으니 그렇다고 치고, 다른 입자들은 어떨까?
이 이야기는 양자역학에서 좀 더 자세하게 다루겠지만, 놀랍게도 전자도, 𝛼, 𝛽 입자도, 심지어는 고분자 물질도 간섭무늬가 발생했다. 모두 입자인 줄 알았는데, 파동성을 가진 것이다.
광학이 발전해 온 역사를 설명하다 보니 조금 옆으로 샜는데, 결론은 빛은 입자이자 파동이라는 것이다.
어떻게 해석해야 할지 난감할 수도 있겠지만 걱정할 필요 없다. 필요에 따라 파동으로 해석하거나 입자로 해석하면 될 일이다. 고전적으로는, 빛은 파동으로 해석하기 적절하다.
앞으로 우리는 먼저 빛을 고전적으로 해석하는 방법을 배워나갈 것이다.
