[박기철의 낱말로 푸는 인문생태학]<559> 광자와 전자 ; 입자 or 파동

뉴턴(Issac Newton 1643~1727) 이후 물리학은 엄청나게 발전했다. 특히 전자기학 발전으로 눈부신 문명 발전을 이루었다. 그 발전의 중심에 무엇에 관한 탐구가 있었을까? 바로 빛이다. 동양의 성리학이 이(理)와 기(氣)를 관념적으로 따졌다면 서양의 물리학은 빛이 입자냐 파동이냐를 실체적으로 살피면서 발전해 갔다. 뉴턴은 빛의 파동설이 당연시 되던 시절에 빛의 입자설을 공식 거론하며 논쟁의 불씨를 지폈다. 크기가 서로 다른 빛알 입자들이 다른 주기로 진동하며 색을 띠기에 프리즘을 통해 무지개 색깔들이 나타난다고 본 것이다.

그 누구도 100여 년 동안 뉴턴의 입자설에 이의를 제기하지 않았다. 그러나 영(Thomas Young 1773~1829)에 의해 빛의 파동설이 주류가 되었다. 빛이 입자라면 두 개의 좁고 기다란 틈을 통과한 빛은 벽면에 틈새의 모양 대로 비추어져야 한다. 그러나 물결과 같은 파동인 빛은 서로 중첩하여 벽면에 간섭(干涉) 무늬를 나타냈던 것이다. 헤르츠(Hertz 1857~1894)는 파동설에 눌려 빛과 같은 전자기파의 진동수가 입자의 운동 에너지에 의한 것임을 알지 못했다. 그러나 아인슈타인(Albert Einstein 1879~1955)이 빛의 입자설을 본격적으로 주장했다. 광자인 빛이 파동이면 불가능하고 입자이기에 가능한 광전효과를 밝히면서다. 광전효과란 입자인 전자의 운동에너지가 커서 진동수가 큰 광자 빛을 금속판에 쪼이면 금속에 있던 자유전자가 튕겨져 빠져 나오는 현상이다.

아인슈타인은 광전효과를 밝힌 업적으로 1921년 노벨 물리학상을 받았다. 상대성 원리나 브라운 운동에 관한 그의 다른 연구들은 나중에 인정을 받았다. 빛의 차원에서는 입자인 전자를 광자(photon)라 부른다. 전자의 요동인 광자는 아무리 작더라도 알과 같은 입자이기에 빛알이라 부를 수 있다. 빛알 덩어리인 광자가 금속판에 닿으면 광전효과에 의해 금속에 있던 전자들이 튀어 나온다. 굴러들어온 돌이 박힌 돌을 빼내는 것과 같은 이치다. 이때 빠져나온 전자가 광전자다. 아무 빛에서나 광전자가 나오지 않는다. 파장이 길어 진동수가 작은 적외선이나 빨간빛은 광자의 운동에너지가 작아 아무리 밝고 강하게 쪼여도 광전자가 나오지 않는다. 파장이 짧아 진동수가 큰 자외선이나 보랏빛은 입자의 운동에너지가 크기에 약하게 쪼여도 광전자가 쉽게 나온다. 밖으로 나온 전자인 광전자의 움직임은 전류의 흐름이 된다. 전류의 흐름이 신호전달로 쓰이면 광섬유 케이블, 복사기 스캐너나 디지털 카메라의 이미지 센서가 된다. 전류 흐름이 전기 생산에 쓰이면 태양 전지인 태양광 발전이다. 현대문명의 이기들이 광자의 광전효과 덕분이니 아인슈타인이 노벨상을 받을 만했다.

아인슈타인이 빛의 입자설을 주장했더라도 빛의 파동설이 사라진 건 아니다. 물을 크게 보면 물결이 흐르는 파동이지만 작게 보면 물분자 입자의 움직임이다. 분자인 물은 파동이면서 입자다. 마찬가지로 광자인 빛도 입자이면서 파동이다. 전자기파에선 파동이고 광전효과에선 입자다. 파동일 수도, 입자일 수도 있다. 파동적 입자이며 입자적 파동이다. 입자인 전자로 이루어진 물질도 파동이라면 물질파다. 생명체도 무생물도 입자이고 파동이겠다. 파동이 입자고 입자가 파동이다. 이쯤 되면 과학이 철학이 된다. 노자나 부처님 말씀과도 만난다. 난묘중첩(難妙重疊)! 난해하고 오묘하며 오묘하고 난해하다.