과학도서 - 과학독후감 빛으로 말하는 현대 물리학 과학독후감

과학독후감 - 빛으로 말하는 현대 물리학
빛으로 말하는 현대 물리학
-30년간 이뤄낸 업적들..-
1900년에서 1930년. 이 말을 듣는 순간 떠오른 것은 `전쟁`에 바빴던 시기.. 라는 것이었다. 자연히 여러 가지가 연상이 되었다. 핵폭탄. 아인슈타인. 등등등.... 이것들과 1900년에서 1930년까지의 물리학이 어떤 상관이 있을까.. 하는 생각을 하면서 `빛으로 말하는 현대물리학`을 펼쳤다. 이 책에서 1900년에서 1930년까지의 물리학과 관련된 부분은 「제 4장. 상대성 이론과 빛의 속도」과 「제 5장. 양자 역학과 빛」이다.
1900년 4월 27일 런던 왕립협회 강연 가운데서 「물리학의 아름다운 이론 위에, 19세기의 두 개의 어두운 구름이 뒤덮이려 하고 있다」라고 했던 켈빈경의 말을 떠올려 본다. 두 개의 암운은 제 4장에 설명된 에테르에 관한 것과, 제 5장에 설명된 열복사에 관한 것이다.
1905년, 아인슈타인은 상대…(생략)

아인슈타인은 광속도 불변의 원리(광속도는 광원?관측자의 운동 상태에 의하지 않고 항상 일정하다)를 주장한다. 이 원리에 따르면 광속는 보편 상수가 된다. 이런 광속도 불변의 원리의 확립은 의 기준으로 상정하고 있던 우주의 중심, 정지 에테르는 불필요하게 되고, 이에 에테르의 안개는 물리학의 세계에서 자취를 감추게 된다. 광속에 대해서 상대성 이론으로부터 또 하나의 중요한 결론은 그것이 모든 속도의 상한으로 되어 있단 것이다. 가속기 속에서 전자를 달리게 할 경우를 생각하면 가속에 투입되는 에너지 가 낮은 동안은 를 크게 하는데 따라서 전자의 속도 도 순조롭게 즐가해 가지만 이윽고 가 증가하는 상태가 둔해지기 시작하고, 다시 를 높여도 는 를 앞에 둔 채 제자리걸음 상태가 된다. 전자에게 있어 는 속도의 극한값이고, 자연히 광속에 접근했을 경우 우리가 경험적으로 알고 있는 속도의 합성 법칙 역시 성립하지 않게 된다. 대신 이란 식이 성립하게 된다. 마지막으로, 아인슈타인은 광속도의 절대성을 토대로 하여 시간과 공간의 상대적인 개념으로 된다는 것을 제시하였다.

이제, 양자역학의 성립 과정이 남아 있다. 즉 5장, 양자 역학과 빛 에서는 빛이 양자 역학의 성립에 미친 영향에 대해 이야기하고 있다. 19세기 후반, 비스마르크는 독일의 주도권을 장악하고 철혈 정책을 펼친다. 이에 고온을 어떻게 측정하는냐 하는 물리학에서의 문제가 발생한다. 용광로의 정확한 온도를 알아야 양질의 철을 안정하게 만들 수 있기 때문이다. 여기서 주목된 것이 열복사였으나 계산을 실행하고 보니, 측정과 이론은 불일치했고 이는 물리학자들을 당황하게 한다. 켈빈경의 강연 8개월 후인 1900년 12월 14일, 플랑크는 스펙트럼을 나타내는 수식 (맞게 쳤는지는 모르겠음.. =.=;;)를 발표하고, 이는 측정결과와 정확히 맞아 떨어진다. 이에 플랑크의 식에 포함되어 있던 가설 `열복사로부터 나오는 진동수 의 빛의 에너지 는 를 단위로 하고 그 정수배의 값밖에 취할 수 없다`를 증명해야 함이 중요한 과제가 된다. 이 역시 아인슈타인에 의해 1905년에 해결된다. 아인슈타인은 진동수 의 빛은 라고 하는 에너지를 갖는 입자로서의 성질도 아울러 갖추고 있다고 생각했다. (이 입자를 광자라 한다) 즉, 「파동과 입자의 이중성」이란 방법으로서 이를 파악한 것이다. 입자라 하게 되면 확실히 1개, 2개……로 계산할 수 있게 된다. 이 증거는 광전 효과라 불리는 현상으로, 광전 효과가 일어나기 위해서는 빛은 광자라고 하는 에너지 덩어리가 되어 전자에 충돌해야만 하는 것이다. 즉, 아인슈타인의 광자는 이미 알려진 광전 효과의 원인을 설명하는 것이 되기도 한다.

1923년, 미국의 콤프턴 역시 하나의 훌륭한 실험에 성공한다. 콤프턴은 어떤 파장의 선을 탄소를 비롯한 여러 물질에 충돌시켜 보았다. 그러자 산란되어 물질로부터 나온 선의 파장이 처음과 비교해서 길어진 것에 착안하고, 이 효과도 물질 속에서 선이라고 하는 광자가 전자와 당구치기 현상을 일으키는 것이라고 생각하면 잘 설명될 수 있다는 것을 깨닫는다. 레이저광의 개발에 의해 이런 현상을 육안으로 관찰할 수 있게 되었다.

1923년, 파리 과학 아카데미의 기요 『콩트 랑쥐』에 물질파라고 하는 새로은 개념을 제창하는 이론이 발표되었다. 이 논문의 저자는 드 브로이다. 파동이라고 생각되고 있던 빛에서 입자성을 볼 수 있는 것이라고 한다면 입자, 이를테면 전자가 파동성을 나타낸다는 것도 생각할 수 있지 않을까 하는 것이 그의 생각으로 드 브로이는 와 의 두 식을 이용해 자신의 생각을 전개하여 운동량 를 갖는 입자는 로서 주어지는 파장을 갖는 파동으로서도 거동한다는 결론에 도달한다. 이것이 물질파의 개념으로 3년 후, 1927년에는 미국의 데이비슨, 거머, 영국의 톰슨에 의해 실험으로서 증명된다. 그들이 응용한 것은 영의 실험 원리로서 전자의 파장 는 운동량 에 반비례하여 가속 전압을 조절하여 운동량을 결정하면, 전자의 파장은 결정 내의 원자끼리의 간격과 거의 같은 정도가 된다. 이러한 조건이 충족되면 빛의 경우와 마찬가지로 전자도 간섭을 일으키게 되어 그 파동성이 실증된 것이다.

20세기로 접어들자 원자의 구조 해명이 중요한 테마로 떠오르게 된다. 그런 가운데 1911년, 영국의 러더퍼드에 의해 주목할 만한 논문이 발표된다. 그는 입자를 금속박으로 산란시키는 실험을 통해 원자의 중심에는 양전하가 응집한 핵이 있고, 그 주위를 음전하의 전자가 회전하고 있다는 것을 확인했다. 여기서, 죽음의 나선 계단이라는 문제가 생겼다. 즉, 원자가 도저히 안정되게 존재할 수 없다는 것으로 이에 대해 보어가 핵 주위를 회전하는 전자는 특정 궤도밖에 취할 수가 없다고 가정하여 성공적으로 설명한다. 즉 전자는 빛을 방출하지 않고 에너지도 상실하지 않는 것이나 전자가 궤도를 바꿀 때 그 에너지차에 대응한 진동수의 빛이 방출되는 것이라고 하는 것이다.

이러한 보어의 가설은 전자의 파동성에 의해 성립된다. 즉, 원자의 구조와 안정성 문제는 전자의 파동설을 열쇠로 하여 해결된다. 이리하여 열복사의 연구로부터 발달하여 탄생한 양자와 파동과 입자의 이중성이라고 하는 새로운 개념을 기초로 하여 1930년 경에는 양자 역학이라고 하는 전혀 새로운 세계과 확립하게 된다. `비스마르크의 철혈 정책이 양자역학을 낳은 것`.. 일까? ^^ 저자는 여기서 양자역학의 확립에서도 빛이 귀중한 향도적 구실을 하였다면서 마무리하고 있다.

1900년에서 1930년까지의 기간은 참 소중한 기간이었던 것 같다. 물리학의 중요한 파트인 `양자 역학`이 성립하게 된 과정이고, 광속도의 존재에 대해서도 밝혀졌고... 지금 읽고 배워도 이해가 되지 않는 복잡한 이론들을 제창해 낸 물리학자들이 정말 대단하다고 생각한다. 특히 아인슈타인은.. 대단한 천재인 것 같다.. 머리가 막 복잡하다. 이런 사람들도 있는데.. 그걸 이해조차 못하는 나같은 사람도 있고.. 한 가지. 나도 공부 열씨미 해야지.. 하는 생각이 든다.