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빛에 지능이?

물리학자들을 괴롭힌 또 하나의 문제는 마치 빛이 실험하는 사람이 원하는 것을 알고 있는 것 같다는 점이었다. 빛을 파동이라 가정하고 파동으로서의 특성을 알아보려는 실험을 하면 빛은 파동처럼 움직였고, 입자의 특성을 살펴볼 수 있는 실험을 하면 영락없이 입자로서의 성질을 보여주는 것이었다. 대체 무슨 일이 벌어지고 있는 것인지 알 길이 없었다.

널빤지에 뚫린 두 개의 긴 홈(slit)을 통과한 빛은 간섭 효과에 의해 줄무늬를 만들어내는데, 빛을 점점 어둡게 하면 어느 순간 하나의 홈에 한 개의 광자만이 통과하는 순간이 있게 되고, 광자가 홈을 통과하는 순간 널빤지 반대편에서 보았을 때 홈을 통과하는 빛이 보여야 한다. 하지만 사진으로 촬영된 모습은 하나같이 간섭에 의한 줄무늬였고, 이는 빛이 파동이라는 것과 마찬가지였다. 마치 한 개의 광자가 스크린에 몇 개의 홈이 있는지를 알고 있어서, 홈이 두 개면 아무리 광량을 낮추어도 두 개의 홈을 동시에 통과하면서 간섭무늬를 만들어내는 것처럼 보였다. 심지어 광자가 출발한 후에 두 개의 홈 중 하나를 닫으면 광자는 열려진 홈만을 통과했다. 광자가 통과한 홈이 어떤 것이지를 감지하는 장치를 장착하자 신기하게도 광자는 더 이상 파동처럼 보이지 않았고 간섭무늬도 나타나지 않았다.

물리학자들은 이것만으로도 정신이 없었는데, 1924년 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이는 모든 물질을 구성하는 입자는 입자인 동시에 파동일 수도 있다는 주장을 제기했다. 이 이야기는 파동-입자의 이중성은 모든 물질에 존재할 뿐만 아니라 모든 물질은 고유의 주파수를 가지고 있다는 것이었다. 1927년, 이 이론은 전자가 분명히 파동이면서 빛과 같은 회절 효과를 보인다는 것이 확인되면서 보다 설득력을 갖게 되었다. 이후 전자보다 큰 입자인 광자와 중성자도 파동의 성질을 갖는다는 것이 확인되었다.

드 브로이의 이론은 그의 박사학위 논문의 내용이었다. 그는 전자란 결국 전자가 위치할 수 있는 궤도 주위에 존재하는 파동이며, 각 궤도의 에너지 수준은 결국 파동의 고조파들이므로 각각의 파동이 서로를 받쳐주고 있는 것이라고 주장했다. 또한 자신의 이론은 결정격자(crystal lattice)에 의해 전자가 회절되는 것을 봄으로써 확인할 수 있다고 주장했다. 1927년 미국과 스코틀랜드에서 별도로 실시된 실험이 성공적으로 이루어졌고, 이 업적으로 드 브로이와 더불어 실험에 참여한 두 명의 학자가 1937년에 노벨상을 받았다.

드 브로이의 연구의 중요성은 파동-입자 이중성이 모든 물질에 존재한다는 것을 밝혀냈다는 데 있다. 드 브로이 방정식은 입자의 운동량과 파장의 곱이 항상 플랑크 상수가 된다는 것을 보여준다. 플랑크 상수는 매우 작은 값이기 때문에 분자의 크기보다 큰 물질의 파장은 매우 작아야 한다. 즉 사람이나 자동차의 파장 같은 것은 걱정할 필요가 거의 없지만, 작은 입자를 다룰 때는 얘기가 달라지는 것이다.

세계를 바꾼 방정식

1905년 아인슈타인의 논문이 발표된 후 입자가 파동처럼 보일 수도 있다는 사실이 더 이상 불가능한 것으로 간주되지 않았던 데에는 이유가 있었다.

그의 특수 상대성 이론 논문의 부록에 포함된 방정식 때문이었는데, 이것은 나중에 다듬어진 형태에 비하면 좀 복잡하긴 했지만 그 뜻은 다음과 같은 것이었다.

에너지 = 질량 × 광속의 제곱

E = mc²

이것은 아마 세상에서 가장 유명한 방정식일 것이다.

세계를 바꾼 이 방정식은 뉴턴의 《프린키피아(Principia)》 못지않게 중요했으며, 이것이 말하는 바는 에너지가 결국 물질의 다른 형태라는 것이었다. 또한 물질은 매우 거대한 크기의 에너지로 변환될 수 있다는 뜻이었다. 여기가 바로 원자력과 핵무기의 출발점이다. 원자의 핵을 뒤흔들어 엄청난 양의 에너지를 얻어내기 때문이다.

러더퍼드와 보어의 이론에는 뉴턴 역학의 테두리 내에서는 도저히 해결될 수 없는 근본적인 문제가 있었다. 전자는 음전하를 띠고 있으므로, 양전하를 띤 핵에 끌려야만 한다. 그러므로 궤도에 머물기 위해 가속을 해야만 하므로 에너지가 필요한데 전자는 오히려 전자기파의 형태로 끊임없이 에너지를 방출하고 있었다. 이런 식으로 에너지가 계속 방출된다면 전자는 곧 핵에 끌려 부딪히고 원자는 곧 부서지는 것이 정상이었다. 사실 이렇게 되는 데 필요한 시간은 수백억분의 1초에 불과할 테니 ‘곧’이라고 할 수도 없을 만큼 짧은 시간이기도 하다. 이 문제를 풀고자 많은 물리학자들이 매달렸는데, 오스트리아의 에르빈 슈뢰딩거가 결정적인 공헌을 했다.