파동-입자 이중성
https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EB%8F%99-%EC%9E%85%EC%9E%90_%EC%9D%B4%EC%A4%91%EC%84%B1 물질(物質)의 고전적 정의는 물체를 이루는 존재이다.
이에 따라 물질은 질량과 부피를 갖는 존재로 정의되기도 한다.
그러나, 양자역학의 도입으로 물질에 대한 이러한 개념은 수정되어야 했다.
양자역학의 발견결과는 "질량을 갖는다"거나 "공간을 차지한다"는 것이 물질을 정의하는 명료한 개념이 될 수 없다는 것을 보여주었다.
양자역학을 연구하는 물리학자들은 질량과 부피가 물질 고유의 속성이 아니라 "기본 단위"의 상호 작용에 의해 변화되는 것이라는 점을 발견하였다.
이를 물질의 상관 이론이라 한다.
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AC%BC%EC%A7%88 “빛은 물질인가?”라는 질문에 선뜻 그렇다고 대답할 수 있는 사람이 얼마나 있을까 궁금하다.
우리가 딱히 깊은 사고를 하지 않아도 은연중에 당연하다고 느끼는 물질의 보편적인 속성이 있다면, 그것은 아마도 물질이 알갱이, 즉 입자들의 집합체라는 점 아닐까.
그렇다면 “빛도 물질인가?”란 질문은 “빛도 입자인가?”란 질문과 대동소이하게 받아들일 수 있다. 과연 빛은 입자인가?
빛의 속성이 무어냐고 물어보면 따뜻함, 밝음, 일곱 가지 무지개색 등이 대답으로 떠오를 것 같다.
다시 말하면, 직관적으로 떠오르는 빛의 속성 중엔 입자, 알갱이와 결부될 만한 성질이 없다. 어떤 대상이 입자라면 당연히 그 대상을 상자에 넣어 보관하고 운반할 수 있어야 할 것이다.
그런데 음파(소리)는 상자에 가두지 못한다. 호수 표면에 이는 물결파도 상자에 담지 못한다.
빛도 마찬가지다. 빛을 담아 택배로 보낼 수 있는 상자라는 건 존재하지 않는다.
https://horizon.kias.re.kr/12316/ 데모크리토스는 빛은 입자라고 주장하였고
아리스토텔레스는 사원소설의 체계 안에서 빛은 파동이라고 주장하였다.
빛도 입자다
18세기에 아이작 뉴턴은 저서 《광학》(Opticks, 1704)에서 빛은 작은 입자의 흐름이라고 하며 미립자설을 주장했다.
반면 동시대 사람인 크리스티안 하위헌스 · 로버트 훅 등은 빛은 파동이라고 주장하였다.
특히 훅은 '빛을 향해 빛을 쏘아도 충돌하지 않고 통과한다'는 실험결과를 통해 빛은 파동일 수 밖에 없다고 주장하였다.
하지만 이 당시에는 아이작 뉴턴의 권위로 인해 입자설이 우세하였다.
빛은 파동이다: 맥스웰의 대발견
빛의 본질에 대한 최초의 올바른 이해는 전자기 현상을 이론적으로 연구하던 스코틀랜드의 과학자 맥스웰James Clerk Maxwell, 1831-1879이 만든 방정식을 통해서 이루어진다.
1864년 12월 4일, 영국 왕립학회에서 구두로 발표된 맥스웰의 논문은 당시 알려져 있던 모든 전기적, 자기적 현상을 몇 개의 미분 방정식으로 정리할 수 있다고 보여주었다.
그뿐 아니라, 같은 논문에서 맥스웰은 해당 미분 방정식들을 잘 조작하면 파동 방정식으로 알려진 독특한 미분 방정식 꼴을 얻을 수 있다는 점도 보였다.
그가 수행한 이론적 탐구의 정점은 그다음에 등장한다.
모든 파동 방정식에는 파동이 진행하는 속력에 해당하는 숫자가 반드시 등장해야 하는데, 맥스웰이 얻은 파동 방정식에서는 그 숫자가, 당시 알려진 빛의 움직이는 속도와 매우 비슷했다.
맥스웰은 담담한 어조로 이런 결론을 논문에서 내린다:
The agreement of the results seems to show that light and magnetism are affections of the same substance, and that light is an electromagnetic disturbance propagated through the field according to electromagnetic laws.2
“자성과 빛은 본질적으로 같은 현상이고, 빛은 전자기장이 요동해서 생긴 파동이다.”라는 문장을 통해 맥스웰은 “빛은 무엇인가”라는 인류의 아주 오랜 질문에 대한 정답을 제시한다.
정답을 표현하는 데는 단 한 문장이면 충분했다. 비록 맥스웰이 논문에서 명시하진 않았지만, 사실상 그 선언의 함의는 분명했다.
빛은 파동이다. 따라서 빛 자체는 물질이 아니다. 이것이 빛에 대해 인류가 얻은 ‘최초의 올바른’ 이해였다.
20세기에 알베르트 아인슈타인은 '빛은 입자(광양자)이다'라는 전제를 통해 광전효과를 설명한 논문을 발표(1905)하였고 많은 과학자들이 실험을 통해, 빛은 전자와 충돌할 때 입자와 같이 행동함을 확인했다.
특히 로버트 앤드루스 밀리컨은 아인슈타인의 생각에 반하여 1915년, 실험을 시작했지만 정밀한 실험의 결과는 아인슈타인의 주장을 지지하였다.
1912년, 파울 크니핑(독일어: Paul Knipping)과 발터 프리드리히(독일어: Walther Friedrich)는 결정을 이루는 원자간의 좁은 틈을 이용하여 '라우에 반점'이라고 불리는 엑스선의 회절 사진을 얻었다.
이로써 엑스선은 파동이라는 증거를 얻었다.
그런데 드브로이는 1920년대 초, 엑스선으로도 광전효과를 확인할 수 있으며 즉, 에너지가 양자화되어있다는 것을 확인하였다.
비슷한 시기인 1922년에 아서 콤프턴은 엑스선 산란 연구를 한 뒤 그 결과를 분석한 바 엑스선은 입자와 같다고 발표하였다.(1923년)
즉 엑스선에서도 입자성과 파동성이 모두 확인되었다.
이후 사람들은 빛이 파동의 성질과 입자의 성질, 모두를 가졌다고 받아들인다.
그리고 이는 아주 작은 세계에서만 일어난다고 하여 원자보다 작은 세계를 다루는 새로운 역학, 양자역학을 만들었다.
중간에 생략된게 엄청 많은데 최대한 이해하기 쉽게 정리해봤습니다.
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