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흑체복사와 에너지양자

물질은 대부분 열을 받으면 붉은색에서 노란색, 또는 흰색에 이르는 다양한 색깔의 빛을 내고, 고온에서 방출되는 빛일수록 파장이 짧아지면서 파란색을 띤다. 온도가 올라갈수록 빛은 전체적으로 흰색(색깔이 없는)을 띠다가 노란색과 붉은색 빛과 합쳐지며 점차 파란색에 가까워진다. 방출되는 빛의 파장과 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프를 흑체(黑體, black-body) 곡선이라고 부르는데, 흑체란 자신에게 쏘아지는 모든 전자파를 흡수하는 이상적인 물체를 가리키는 용어이다. 작은 구멍이 하나 뚫려 있는, 탄소로 만들어진 상자는 구멍이 흑체 역할을 하게 되므로 가열되면 빛을 내며 온도에 따라 다른 색깔의 빛을 방출하는 이상적인 흑체와 유사한 성질을 가진다. 이때 방출되는 빛의 색깔은 오로지 온도에 따라 결정되며 흑체를 구성하는 물질과는 무관하다.

막스 플랑크는 작은 구멍이 뚫린 검은 상자를 이용해 흑체가 방출하는 빛의 파장을 계산하고자 했고 상당히 정확한 계산식을 찾긴 했지만 이를 위해 상당히 어색한 가정을 해야만 했다. 흑체에서 빛이 연속적으로 복사(輻射, radiation)되는 것이 아니라 간헐적으로 나오는 짧은 파동의 덩어리(또는 양자)라는 가정이 필요했다. 이때까지만 해도 플랑크는 자신이 만들어낸 에너지 양자라는 개념이 물리학계를 뒤엎어 버릴 것이라고는 상상도 못했다. 단지 자신의 편의를 위해 당연히 연속적이어야 하는 물리량을 수학적으로 양자 형태로 표현한 것뿐이었고, 다른 물리학자들이 후속 연구를 통해 이 가정을 다듬어줄 것으로 생각했다. 그야말로 커다란 오산이었다.

다른 형태의 에너지

대부분의 과학자들의 관심이 빛과 열에 쏠려있긴 했지만, 다른 형태의 에너지에 대한 관심도 서서히 일어나고 있었다. 사실 다양한 형태의 에너지는 대부분 19세기에 이름 붙여진 것이다. 프랑스의 과학자 코리올리가 1829년에 ‘운동 에너지’를, 1853년에는 스코틀랜드의 물리학자 윌리엄 랜킨이 ‘위치 에너지’라는 용어를 사용하기 시작한다. 새롭게 인식된 형태의 에너지로는 전기를 들 수 있다. 번개는 인류에게 친숙한 대상이었지만, 번개가 전기와 연관이 있다고는 아무도 생각하지 못하고 있었다.