흥미진진 과학스토리 <61> 아인슈타인과 창의력 (2)

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흥미진진 과학스토리 <61> 아인슈타인과 창의력 (2)

           빛의 입자성을 입증한 광전효과  

 

아인슈타인에게 노벨상을 수여한 것은 생소하게도 ‘광전효과‘였다.아인슈타인은 스위스 취리히의 연방공과대학(ETH)을 재수를 통해서 진학한다. 졸업 후에는 교직을 소망했지만 그냥 직장인이 된다. 흔히 천재에게 보이는 찬란한 학업 성취나 유학, 장학금 같은 기록도 없다. 오히려 한가한 직장인으로 특허사무국에서의 5년이 어려서부터 꾸준히 좋아했던 물리를 계속할 수 있게 한 것 같다. 직장생활 5년이 지난 1905년을 과학자들은 ‘기적의 해’라고 부른다. 아인슈타인의 존재감을 세상에 드러낸 논문을 무려 5편이나 쏟아진다.

현대물리학은 빛에 대한 학문이다. 그리고 현대의 과학문명은 이 빛으로부터 나온다. 그 중심에 ’상대성이론‘과 ’양자역학‘ 있으며 이 위대한 두 학문이 아인슈타인으로부터 시작되었다고 해도 결코 과언은 아니다. 창의적 사고의 화신이라는 칭찬도 오히려 부족할 뿐이다. 그 출발점은 대다수가 빛은 파동이라고 믿던 세상에서 ’입자‘을 발견한 것으로부터 시작된다.

 

 

 

 

 (물결은 간섭무늬를 만든다. 파동의 대표적인 특징이다. 빛의 회절실험에서는 분명하게 간섭무늬가 생겨나므로 빛은 파동이 분명한 것으로 보였다.)

 

파동의 고유한 특성은 간섭과 회절이다. 파동의 겹치면서 증폭되거나 상쇄되면서 간섭무늬를 만드는 것이다. 빛을 이용한 실험에서 이런 간섭무늬를 증명한 사람은 영국의 토마스 영(1773~1829) 이었다. 실험으로 증명된 이상 빛이 이제는 파동이라는 것에서는 의심의 여지가 없었다. 그리고 파동은 매질을 통해서 전달되므로 우주는 ‘에테르’라는 매질로 가득 차 있다고 믿었다. 그리고 ‘에테르’를 찾으려는 과학자들의 경쟁은 치열했다. 그러나 모두 실패한다. 이 실패는 오히려 가장 위대한 실패라고 불린다. 에테르의 존재는 부정되고 그 반대의 효과로 빛의 입자성이 증명된 꼴이었다.(본 칼럼 48회, 49회 ‘위대한 실패, 에테르를 찾아라‘ 참고)“아인슈타인에 따르면 에테르 따위는 전혀 필요가 없다. 빛은 파동이지만 그 어떤 매개물 없이도 직접 전파된다. 이 결과는 빛이 광자photon라는 일종의 입자 알갱이라는 입장을 취하면 쉽게 이해된다, 입자 알갱이는 그 어떤 매개물 없이도 움직인다. 실제로 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표한 1905년, 빛이 일정한 에너지 덩어리를 가진 알갱이라는 ‘광양자 가설’을 적극 도입해 광전효과 현상을 성공적으로 설명하였다.“

- 이종필, <빛의 속도로 이해하는 상대성이론>, 우리학교 출간빛이 입자라는 주장은 아인슈타인의 것이 아니다. 그러나 그의 천재성은 과감하게 ‘광양자 가설’을 세우고 광전효과를 통해서 실제로 빛의 입자성을 증명했다는 것이다. 그때 마침 ’양자'라는 개념이 물리학계에서 막 자라나고 있었다는 사실도 행운이었겠지만 그런 통찰력은 아무에게나 가능한 것은 아니다. 그렇게 ‘광전효과‘는 아인슈타인에게 노벨상을 수여했고 모두가 알고 있는 상대성이론과 양자역학은 현대물리학의 중심에 있다.

거듭 말하지만, 이 모든 생각을 아인슈타인이 가장 먼저 한 것은 결코 아니다. 아인슈타인에게 영감과 지적인 토대를 제공한 과학의 거인들이 있는데 그 중에서 아인슈타인이 가장 존경했던 과학자 한 명을 뽑으라면 그는 당연히 제임스 클라크 맥스웰(James Clerk Maxwell,1831 ~ 1879) 이다. 아인슈타인 뿐만 아니라 웬만한 과학도라면 맥스웰의 위대함을 평가하는데 인색한 사람은 없다.

 

과학책을 읽는 보통사람들 회원 허 심

 

#95호 

 

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