빛은 입자인가 파동인가. -양자장이론

이에 대해 항상 제기되어 온 것이 "빛의 이중성"이다. 어느덧 입자설과 파동설이 싸우던 도중 이도저도 아닌 성향이 점점 발견되자 원래 빛은 다중인격의 선두주자 "다중이"니까 "원래 두 성질 다 가진 그런거다 따지지 마라..." 이런정도로 정립되어버렸다.

최초에 뉴턴에 의해서 제시되었던 빛이 입자라는 가설들을 전부 접어버리게 되고 영의 간섭실험으로 인해 파동성을 가진다는 사실을 완벽하게 증명하게 된것도 부족해 맥스웰에 의해 빛이 전자기파의 일종이라는 사실이 밝혀지면서 물리학자들 사이에는 "빛은 파동이다" 라는 것이 고정되어버리게 되었다.

그러나 파동설에는 핵심적 문제점이 있었다.

"파동에는 매질이 있어야 한다. 이를 에테르라 부르자"

라고 하면서 에테르를 발견하려던 움직임이 모두 수포로 돌아가고 그렇다면

"어떻게 빛은 진공중에서 움직이는가?"

라는 질문에 결국

"원래 빛은 공간 자체가 매질이다."

"원래 그런거다 따지지 마라"

식으로 굳어져 버린 것과 어느정도 비슷한 예라 할 수 있겠다.

한마디로 이해가 안가니 그냥 묻어둔 것에 불과하다는 생각을 가진 것은 musiki뿐일까? 아인슈타인은 분명 에테르는 어짜피 관측이 불가하니 있는것으로 치나 없는것으로 치나 상관없다고 하였다. 그렇다고 에테르가 없는 것일까? 여기에 대해서는 차후에 별도로 논의하도록 하겠다.

빛에 대한 최근의 이론은 양자장 이론에 의해 논의의 궁극에 달하고 있다.양자장 이론은 크게 두가지 부류로 나눌 수 있다.

Field(장)에 기반을 둔 이론과 Particle(입자)에 기반을 둔 이론이다. 두가지 다른 기반에서 시작해서 이론을 전개해도 실물상에서는 결국 똑같은 결과가 나온다. 단지 둘의 차이를 기술하자면 장에 기반을 둔 쪽은 공간을 매질로 빛이 진동하고 이러한 진동들이 국소적으로 결합될때 마치 입자와 같은 성향을 보인다는 설명인 듯 싶고 반면에 입자에 기반을 둔 쪽은 빛이 원래 입자인데 운동경로가 어떻게 어떻게 하다보니 파동과 같은 성향을 가진다는 설명인 듯 싶다.

혹자는 광자 한개, 전자 한개를 쏴서 영의 간섭실험을 해도 간섭무늬가 나타난다는 잘못된 정보를 퍼뜨리는데 이는 엄연히 사실과 다르다. 광자, 전자 한개를 쏘면 반대쪽에 한개가 도착하지 어떻게 간섭무늬가 나타나겠는가. 광자를 한개씩 계속 쏘면 도착점에 특정지점에 부딛힐 확률이 간섭무늬를 나타내는 것이다.같은 광자를 같은 파장으로 같은 경로로 계속쏴도 결과는 그때그때 다르다는 것이다.

빛은 그밖에도 재미있는 특성을 가지고 있다. 빛이 지나가는 경로는 우리가 눈으로 결코 볼 수 없다. 단지 이 빛이 지나가는 경로에 있는 입자와 상호작용을 할 때만이 우리가 관측할 수 있는 것이다. 레이저가 지나가는 경로를 보고 싶다면 진공속에서는 관측이 불가능하다. 공기분자와 산란해 튀어나오는 빛을 관측할 수 있을 뿐이다.보통 산란을 잘 일으키기 위해 분필가루나 향을 피우는 이유도 이러한 것이다.

그나마 우리가 눈으로 본다는 행위마저 우리의 눈속에 있는 화학물질이 빛알과 상호작용하여 일어나는 현상이다. 빛이 어떠한 이동경로를 가지고 어떻게 움직이는지 우리는 근본적으로 알기 힘들다. 그래서 빛이 더욱 신비한 것이다.

개인적으로는 양자장론중 입자개념으로 설명하는 측이 설명하기 편하고 마음에 든다.

"어떻게 빛은 파동인데 진공을 이동하죠?"

"입자니까 상관없어요. 입자는 진공에서도 잘만 가잖아요.,"

"그럼 어떻게 파동성을 나타내죠?"

"입자의 경로가 파동성을 나타내는 것과 비슷합니다. 한개만 쏘면 그냥 입자성을 보이지만 경로는 그때그때 달라요. 우린 경로가 나타내는 확률만 볼수 있는데 그 확률이 마치 파동과 동일한 결과물을 낳죠."

그나마  설명하기 쉬울 뿐이지 이해하기는 똑같이 어렵다. ㅡ_-;

musiki는 장이라는 것이 존재한다고 믿지 않고 모든것이 입자의 상호작용이라고 보는 관점에 동의한다. 장이 광속으로 영향을 끼친다는 것은 광자나 광속으로 움직이는 입자를 교환한다는 증거이다. 빛알갱이 하나를 쏘면 반대쪽에 한알이 도착하고 열알을 쏘면 열알이 도착한다는 것은 빛이 입자라는 강력한 증거이다.