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광전(光電) 효과

아인슈타인은 상대성 이론으로 유명하지만, 1921년에 받은 노벨 물리학상은 상대성 이론이 아니라 광전 효과^각주1) 때문이었다. 이 이론은 광자(光子, photon, 당시에는 광자라고 불리지 않았다)가 전자와 충돌하며 원자 내부의 전자가 원래의 궤도에서 벗어날 때 에너지가 발생하는 원리를 밝혀냈다. 태양 전지판이 빛을 받아서 전기를 생산하는 것이 바로 광전 효과에 의한 것이다. 햇빛과 충돌한 반도체의 전자가 전선을 타고 흐르게 하거나 충전할 수 있는 것이다. 광전 효과는 프랑스의 물리학자 알렉상드르 베크렐이 1839년에 최초로 관찰했다.

베크렐은 푸른 광선이나 자외선을 특정 종류의 금속에 비추면 전류가 발생한다는 것을 발견했다. 하지만 왜 그런 현상이 일어나는지는 알지 못했다. 이후에 아인슈타인은 막스 플랑크가 원자의 에너지를 설명하기 위해 도입한 양자 개념을 이용해 이를 잘 설명할 수 있었다. 광자의 에너지는 빛의 주파수에 따라 달라지는데, 푸른빛은 붉은빛에 비해 에너지가 커서 광전 효과를 일으키는 반면 붉은빛은 광자 자체의 에너지가 낮아서 빛의 전체적인 강도를 높여도 광전 효과를 얻을 수 없다.

에테르는 없다: 마이켈슨-몰리 실험

파동은 공기나 물과 같은 매질을 통해서만 전달된다는 것이 일반적인 통념이다. 마찬가지로 빛도 그와 같이 발광성 에테르라는 매질로 전달된다고 생각했다.

에테르가 존재하지 않는다는 것은 1887년에 미국의 물리학자인 앨버트 마이켈슨과 에드워드 몰리의 실험으로 비로소 확인되었다. 만약 과학자들이 생각했던 것처럼 에테르가 존재한다면, 태양이나 별에서 발생한 빛이 지구에 도달하기 위해서는 우주 공간이 에테르로 가득 차 있어야만 했다.

1845년에 영국의 물리학자 조지 가브리엘 스토크스는 지구가 에테르로 가득 찬 우주 공간을 빠른 속도로 이동하고 있기 때문에 공기 중에 움직이는 물체가 공기저항이라는 영향을 받듯이 지구도 반드시 에테르의 저항으로 인한 영향이 나타나야만 한다고 주장했다. 만약 그렇다면 지표면 어디에서건 에테르의 속도는 시간에 따라 다르게 나타날 것이고, 에테르에 대한 지구의 움직임을 관찰하려면 여러 장소에서 여러 시각에 빛의 속도를 측정하면 될 것이었다.^각주2)

마이켈슨과 몰리가 빛의 속도를 측정하기 위해 만든 간섭계(interferometer)는 매우 정교하게 설계되어서, 만약 에테르가 존재한다면 이를 충분히 감지할 수 있도록 만들어진 것이었다. 이 장치는 들어온 광선을 서로 직각이 되도록 나누어 두 개의 거울로 향하게 한 뒤, 각각의 광선이 앞뒤로 반사되어 최종적으로 다시 합쳐지는 구조였다. 광선이 나누어졌다가 합쳐질 때까지 지나는 경로의 길이는 약 11미터에 달했다. 만약 우주가 에테르로 가득 차 있다면 에테르 속에서 움직이고 있는 지구에서 볼 때 에테르의 흐름과 평행한 방향으로 나아가는 광선은 에테르의 흐름과 수직 방향으로 나아가는 광선보다 감지기에 늦게 돌아와야 한다.^각주3)

갈라졌던 두 광선의 속도가 다르다면 이 두 광선이 합쳐졌을 때 간섭에 의한 무늬가 생겨야 한다. 측정 장치는 수은 욕조 위에 떠 있는 커다란 대리석 덩어리 위에 놓여졌고, 측정 결과에 조금이라도 영향을 줄지 모르는 작은 진동의 영향조차 제거하기 위해 지반이 단단한 건물의 지하실에 설치되었다. 장치의 전체적인 정밀도는 에테르가 진짜 존재한다면 이를 충분히 감지할 수 있는 수준이었다.

실험 결과 에테르가 존재한다고 볼 만한 근거를 전혀 찾을 수 없었고, 마이켈슨과 몰리는 (에테르의 존재를 확인하는) 실험이 실패했다고 발표하게 된다.

에테르가 있다고 확신하는 몇몇 다른 물리학자들이 마이켈슨과 몰리의 장비를 개량해 실험을 계속했지만 결과는 마찬가지였다. 당연한 이야기지만, 마이켈슨과 몰리의 실험은 실패한 것이 아니라 에테르가 존재하지 않는다는 것을 밝혀낸 실험이었다. 하지만 안타깝게도 마이켈슨과 몰리는 에테르가 존재하지 않는다는 결론 대신, 에테르가 빛의 전달을 방해할 수 있다는 오귀스탱 장 프레넬의 이론이 옳다는 결론을 내고 만다.