빛의 특수성
과학자들은 수백여 년에 걸쳐 빛의 속도를 알아내는 데 성공하게 됩니다. 하지만 빛의 대해 연구하면 연구할수록 빛은 너무나도 이상하고 또 신비한 특징들을 가지고 있었습니다. 태양으로부터 시작된 빛은 지구를 환하게 밝혀 주었습니다. 그리고 고 우리가 세상을 바라볼 수 있게 하는 아주 중요한 존재였습니다. 그런데 그 빛은 과연 어떻게 생겼을까요?. 아니 빛이라는 존재가 모양이 있긴 할까요?. 아주 예전에는 우리가 눈을 떴을 때에만 물체를 관측할 수 있기 때문에 빛은 우리의 눈에서 시작된다는 터무니없는 주장도 있었습니다. 하지만 17세기부터 인류는 조금 더 빛을 본격적으로 연구하기 시작합니다. 빛을 단순히 신성적인 존재로만 보는 것을 넘어 빛이 발생하는 이유, 빛이 시작되는 곳, 빛의 특징 등 빛의 모든 것을 속속들이 알아내려고 하였습니다.
빛의 입자설과 파동설
그 결과 빛에 대한 가설은 총 두가지의 선택지로 좁혀지게 됩니다. 그중 하나는 빛을 다른 물질들처럼 잘게 쪼개다 보면 작은 입자 알갱이로 구성되어 있다는 <빛의 입자설>입니다. 또 다른 하나는 빛이 마치 파동처럼 움직인다는 <빛의 파동설>이었습니다. 여기서 이상한 건 어떨 때는 빛이 입자처럼 행동하고 또 어떨 때는 파동처럼 행동한다는 거였습니다. 그 누구도 서로가 틀렸다고 반박할 수는 없었지만 또 그렇다고 자신이 틀린 것도 아니었습니다. 분명 물질은 하나의 성질만을 가지고 있어야 했습니다. 그것도 절대 양립할 수 없는 특징들이 하나의 물체에서 보인다니 정말 알 수 없는 노릇이었습니다. 때문에 이를 인정할 수 없었던 고전역학의 아버지 아이작 뉴턴은 빛이 수많은 알갱이로 구성되어 있다는 <빛의 입자설>을 주장하게 됩니다. 그는 프리즘을 이용해 서로 다른 굴절률을 가진 빛이 합쳐져 백색광을 이룬다는 것을 발견해 냈습니다. 다른 굴절률을 가지고 있는 색의 빛들이 빛의 초소 입자, 즉 입자라고 주장했습니다. 너무나도 확실한 증거에 빛의 파동설은 맥을 추지 못하였습니다. 빛에 대한 논쟁은 입자설의 승리로 돌아가는 듯했습니다. 더욱이 빛의 입자설을 발표한 뉴턴은 당시 만유인력 등의 논문으로 과학계의 거장이 된 상태였습니다. 그런 분위기에서 과학자들은 감히 그의 빛 입자설을 반박할 생각조차 하지 못했습니다. 하지만 19세기 초 뉴턴의 권위에 도전하는 학자가 있었습니다. 그는 바로 영국의 의사이자 물리학자였던 토마스 영이었습니다. 그는 빛의 성질을 알아내기 위해 한 가지 재미있는 실험을 생각해 냈습니다. 우선 좁은 틈이 있는 이중 슬릿을 하나 구하였습니다. 그리고 이중 슬릿에 빛을 통과시킵니다. 만약 여기서 빛이 입자라면 둘 중 하나의 구멍만을 통과할 것입니다. 그러나 파동이라면, 두 구멍을 모두 통과해 파동의 특성인 간섭무늬를 보이게 될 겁니다. 실험 결과 이중 슬릿을 통과한 빛은 파동의 특징 중 하나인 간섭무늬를 보였습니다. 그 결과 오랜 기간 동안 내려져 왔던 <빛의 입자설>은 <빛의 파동설>로 대체되었습니다.
아인슈타인의 등장
그 후 19세기 중반 열역학의 아버지 제임스 클러크 맥스웰이 전자기 연구를 통해 전자기파의 속도를 구하는 데 성공하였습니다. 그 연구로 인하여 빛은 전자기파라는 파동의 한 종류임을 밝혀내고 말았습니다. 그렇게 뉴턴에 의한 입자로 시작된 빛은 파동으로 결론 나는 듯하였습니다. 그러나 20세기 초 300년간 논쟁은 한 과학자에 의해 매듭지어지게 됩니다. 바로 인류 역사상 최고의 물리학자 알버트 아인슈타인었습니다. 아인슈타인은 1905년 광전효과, 브라운 운동, 특수 상대성 이론이라는 어마어마한 논문을 발표하며 세상을 놀라게 하였습니다. 그중에서 광전효과 논문은 빛이 입자이면서도 또 동시에 파동일 수 있다는 아주 놀라운 이야기를 하게 됩니다. 그전까지만 해도 어떠한 두 가지의 성질을 지니고 있다는 것은 상상조차 할 수 없는 일이었습니다. 우리 주변에 가장 쉽게 볼 수 있고 우리는 지금 이 시간에도 보고 있습니다. 이 빛이 두 가지 성질을 동시에 갖고 있지 않으면 이 세상에서 일어나는 일을 설명할 수 없습니다. 게다가 더욱 놀라운 건 빛이 입자인지 파동인지 결정하는 것은 신이 나 어떤 초월적인 존재가 하는 것이 아니었습니다. 사람, 동물, 식물 그 누구든 관측이라는 행위를 하는 순간 하나의 성질로 정해진다는 마법과도 같은 성질을 가지고 있었습니다. 그리고 곧 이는 빛뿐만 아니라 전자와 같이 입자로 이루어진 물질이 파동적 특성 또한 가지고 있을 수 있다는 물질파의 개념으로 이어지게 됩니다. 그 결과 20세기 과학사에 있어 가장 커다란 파장을 일으켰던 학문, 양자역학이 탄생하게 됩니다.