우리의 퍼스트 어벤져 플랑크가 1900년 플랑크 수식을 발표하면서 물리계는 큰 쾌거를 이루었었죠. (자칭) 19세기말 물리학 최고의 난제 중 하나가 풀렸으니까요!

근데 역시 자칭의 한계인지, 1900년 당시 물리학계는 또 다른 난제와 씨름하고있었습니다, 바로 '빛'에 관한 문제였는데요, 이 문제를 이해하기 위해서는 잠시 17세기로 돌아가야합니다. 

17세기 당시에는 인류 역사상 최고, 현재와서는 인류 역사상 두번째로 위대한 과학자(지극히 주관적인 순위입니다), 아이작 뉴턴은 빛이 corpuscle이라는 입자로 이루어져있다고 주장을하였습니다. 그리고 이는 동시대에 활약했던 크리스티안 호이겐스의 파동 이론과 대립을 이루었었죠. 하지만 이미 당대에 최고의 학자로 평가를 받던 뉴턴의 입자설이 유럽학계를 약 100여년간 지배합니다. 하지만 뉴턴의 입자설이 빛의 반사나 굴절 등을 제대로 설명하지 못한다는 것이 드러나면서 점점 파동설이 지지를 얻게되고, 1865년에 이르러서는 맥스웰이 그 유명한 맥스웰 방정식들을 정리하면서 빛의 파동설에 대한 이론적 토대가 완성됩니다. 지금와서 생각해보면 프리즘을 통해서 빛의 굴절을 최초로 체계적으로 연구했다고하는 뉴턴이 파동설을 믿지 않았다는게 신기하기도하네요...

어찌되었든 맥스웰의 방정식이라는 이론적 토대가 완성되자, 이를 실험적으로 증명하려는 시도가 이어지는데, 이중 유명했던게 헤르츠입니다. 우리가 현재 주파수를 재는 단위인 헤르츠(Hz)가 바로 이 사람의 이름을 딴 거죠.

좌가 맥스웰, 우가 헤르츠입니다 (콧수염은 진리입니다). 그리고 여담이지만 맥스웰이 젊었을적 사진을 보니 미스터 다아시 뺨때리는 미남이네요... 여러모로 짜증유발하는 인물입니다.

헤르츠는 1880년대에 맥스웰의 이론을 증명하는 다양한 실험적 성과를 거두는데요, 그 중 1887년 한 실험이 물리학계를 결국엔 혼돈으로 이끌고갑니다. 바로 자외선에 쬐여진 금속판이 에너지를 (전자의 형태로) 더 쉽게 잃는다는 실험 결과였죠, 그리고 이는 '광전자효과'라는 이름을 받습니다. 사실 이 실험 자체로는 그렇게 큰문제가 되지 않았습니다, 맥스웰의 방정식에 따르면 이는 단순히 빛의 에너지가 금속판에게 전달되면서 생기는것이였으니까요. 하지만 이 실험은 한가지 질문을 유도해냅니다 "그러면 더 많은 빛 에너지를 금속에 전하기 위해서 빛의 광도를 올려야하나? 아니면 주파수를 바꿔야하나?"라는 질문이죠. 그리고 이 질문을 대답해내기 위한 실험은 무려 15년이나 지난 1902년 필립 레너드라는 인물에 의해서 겨우 제대로 시도됩니다.

하지만 이 이야기의 모든 실험들이 그렇듯이 레너드의 실험 결과는 답보다는 더 큰 질문을 남깁니다. 답이 "둘다... 이긴함"이였기 때문이죠. 레너드는 금속판에서 이미 전자가 나오고있으면 일정 수준까지 광도가 높아질수록 더 많은 전자가 나온다는 것을 보입니다. 하지만 일정 주파수 이하의 빛에서는 아무리 광도를 높혀도 전자의 생산이 전혀 안된다는것을 발견하죠.

광전자효과 실험입니다. 좌측에서부터 빛을 프리즘을 통해서 원하는 주파수를 선택한 이후에 금속에다가 쬐면 초록색;; 전자들이 튀어나오는거죠.

그리고 이 시점에 우리는 다시 잠시 1900년으로 돌아가서 이번화의 주인공에게 돌아가야합니다.

1900년 플랑크의 공식이 발표되었을때 우리의 주인공은 취준생이였습니다. 독일태생이였지만 군대 가기가 싫어서 일찍이 독일국적을 포기하고 스위스에서 학교를 우수한 성적으로 졸업했지만 대학강단에 서고 싶었던 그를 스위스의 대학들은 자격미달이라 판단했던거죠. 그래서 1901년말 취직할때까지 거의 2년을 스트레스를 팍팍 받으며 머리를 쥐어뜯던 그런 상황이였죠. 고생고생해서 취직을 했는데, 직장에 나가서는 하는짓이 월급루팡짓이였습니다. 흔히 전해지는 기록이 책상에 앉아서 망상했다는 것이니까요.

서당개도 3년이면 풍월을 읊는다고 했던가요, 3년여간 아름다운 알프스 산맥에서 커피 마시면서 노닥거리던 이 월급루팡이 뭔 바람이 들었는지 1905년에 <빛의 발생과 변화에 관련된 발견에 도움이 되는 견해에 대하여>라는 논문을 발표합니다. 그리고 이 논문에서 감히 헤르츠, 레너드 등이 보았던 문제에 대한 해결법을 제시합니다. 그리고 그 해결법을 위해서 우리가 1부에서 보았던 1900년 플랑크의 연구를 인용합니다.

그 논문의 중요한 부분을 제가 의역을 해보자면...

"(플랑크의 1900년 눈문에서) 사용된 전제조건들을 고려해본다면 빛이 하나의 점에서 퍼져나갈때 빛의 에너지는 점차적인 공간사이에 연속적이지 않습니다, 오히려 공간에 독립적으로 존재하는 유한한 '에너지 양자'로서 존재합니다. 이 '빛의 양자'들은 나누어질수 없고, 그 '양자' 단위로만 생산되거나 흡수될수있습니다." 그리고 이 빛의 양자의 이 유한한 에너지는 플랑크가 제시했던 E=hv라는 수식을 따른다고 주장합니다. 빛의 입자의 에너지는 그 빛의 주파수 (v)의 배수로 정의된다는 것이죠.

이게 뭔말이냐고요? 지난 50여년간 맥스웰과 헤르츠 등이 빛이 파동의 성질을 띄고있음을 증명하다가 광전자효과로 인해서 그 이론이 막혀있던 순간에 200년 전에 뉴턴이 주장했던 빛의 입자설을 부활시키면서 동시에 양자역학을 낳습니다. "빛과 빛의 에너지가 연속성을 띄지않는 유한하고 개별적인 입자의 특성을 지니고있으면 이 문제가 해결된다." 광자효과를 설명해내기 위해서 빛의 에너지가 연속성을 띄지 않는 다는 가정을 해야만하고, 그 가정은 직접적으로 빛에 대한 양자역학적인 이해를 요구하게되는 발언인겁니다.