빛이 파동의 성질을 갖는다는 건 무슨 뜻일까? (feat. 빛의 이중성)

빛의 이중성

중학교 2학년 과정에 빛과 파동에 등장하는 기본 이론인데 자세한 내용은 고등학교에 가서 배운다. 중학교 수준에서는 빛과 색, 거울과 렌즈, 파동과 소리로 나누에 각각의 기본 개념과 성질만을 배우는데, 그걸 배우는 이유는 궁극적으로는 빛의 이중성을 이해하기 위해서이다. 빛의 이중성이란, 빛이 때로는 파동 형태로 동작하고 때로는 입자 형태로 동작하는 현상을 의미한다. 이러한 빛의 이중성은 양자역학에서 연구되고 있으며, 빛의 작용 원리를 깊이 이해하는 데 중요한 개념이다. 즉, 빛이 입자의 성질을 가지면서 파동의 성질을 가졌다는 것을 알고 그것을 여러 분야에 적용할 수 있기 때문이다. 한편, 빛의 이중성으로 아인슈타인은 노벨상을 수상하기도 했는데, 이는 드브로이의 논문을 읽고 아주 간단하게 노벨상을 거머쥐 사건으로도 유명하다.  

 

빛의 파동성과 입자성

빛이 파동의 형태로 동작하는 것은, 빛이 전자기장을 통해 전파되며 전자기장이 전해주는 에너지를 파동으로 표현한 결과이다. 빛의 파동성은 파동의 특성인 진동수, 파장, 진폭 등으로 설명된다. 하지만 빛은 때때로 입자의 형태로 동작하기도 한다. 이때 빛은 광자(photon)라는 입자로 구성되어 있으며, 입자의 성질을 나타내는 운동량, 에너지 등으로 설명된다. 빛의 이중성은 물리학에서 파동의 기본적인 성질 중 하나인 파동-입자 이중성의 일부이다. 파동-입자 이중성은 물결의 움직임이 파동으로 전파되는 것과 입체 구조에서 발생하는 입자의 성질을 나타내는 것을 모두 설명한다.

 

빛의 이중성에 관한 예시

빛의 이중성에 관한 예를 일상생활에서 찾아볼 수 있는데, 예를 들어, 우리가 빛을 거울에 반사시키면, 빛은 파동 형태로 반사되는 것이 있다. 이 경우에는 빛이 파동이라는 형태로 작용하는 것을 알 수 있다. 반면, 빛을 물건에 비추게 되면 빛은 입자 형태로 작용하는 것을 볼 수 있다. 이것을 광전 효과라고 하는데, 빛이 물체에 충돌하면서 전자를 방출하는 현상이다. 빛은 입자의 형태인 광자로 작용하며, 빛의 충돌로 인해 물체 내부의 전자가 이탈하여 전기적인 에너지가 생성되는 것이다. 빛의 이중성은 양자역학에서 연구되며, 빛이 작용하는 원리를 더욱 깊이 이해하고, 양자 역학에서 다루는 다른 입자들과의 상호작용에 대해 연구된다. 빛이 언제 파동 형태로 작용하고 언제 입자 형태로 작용할지는 빛이 반응하는 환경과 상황에 따라 달라질 수 있다. 그러나 이러한 실험적 증거들은 양자 역학에서 다루는 입자의 성질과 관련된 개념들과 잘 부합하기 때문에 빛의 이중성은 양자 역학에서 다루는 입자의 성질과 관련된 기본적인 원리 중 하나로 보는 것이다.