모두를 위한 물리학 9주차

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Terima kasih.

그러니까 이 구조는 사실 놀랍게도 태양계와 똑같습니다. 태양계에서는 중심에 태양이 있고 그 주변에 지구와 화성 같은 생성이 있는데 이들 사이에는 중력에 의한 인력이 작용하죠. 여기서는 전기력이 인력적합을 하는 겁니다.

안녕하세요. 중간고사는 잘 찍으셨나요? 혹시라도 중간고사를 잘 못 친 학생들은 또 기말고사가 있으니까 잘 준비하시기 바라고요. 자 이제 저희는 중간고사가 끝났으니까 완전히 새로운 주제를 다시 공부하기 시작할 텐데요. 몇 번이나 앞에서 이야기했지만 바로 양자역학. 바로 연자에 대한 이야기를 지금부터 활용합니다. 그래서 9주차 저희 수업의 제목은 물리학을 뒤늦은 30년이죠. 굉장히 시적인 제목이기도 한데 30년 동안 물리학이 완전히 뒤집어지는 일이 있었다는 뜻이고요. 바로 이 시기는 20세기 초가 되겠습니다. 결국 이 30년이 지나서 최종적으로 얻어지는 산문은 바로 양자역학과 상대성 이론이죠. 상대성 이론은 저희가 이미 지난번에 배웠기 때문에 지금부터는 주로 원자에 대한 이야기 양자역학에 대한 이야기를 배울 텐데 9주차에서는 주로 양자역학이 탄생하기 이전까지의 역사를 한번 쭉 훑어보는 바로 이 30년을 훑어보는 그런 시간이 갚겠습니다.

그래서 첫 번째 주제는 원자인데요. 아마 원자에 대해서는 많은 분들이 들어보셨을 거에요. 첫 번째 화면을 보면 역시나 생뚱맞은 생각이 나왔죠. 전에 기억하시나요? 제가 물리를 설명할 때 물리는 연극과 같다고 이야기 했었고요. 그래서 제가 브레게니스에서 하는 오페라를 이야기한 적이 있었는데요. 바로 오페라의 장면입니다. 그때 저희가 오페라에 나오는 배우들이 물질이고 오페라의 무대가 시간과 공간이라고 했고요. 그때 빠진 것이 무엇이었냐면 배우들이 움직일 때 시공각이 바뀔 수 있다. 즉, 상대성 이론에 대한 이야기 한 적이 있었어요. 그때 우리가 이 이야기에서 한 가지 빠트린 것이 있었는데 바로 관계의 존재였죠.

사실 이 연극에서 관객은 아무 역할도 안 하잖아요. 그냥 저희가 보는 것 외에는 아무 역할이 없는데 이제부터 저희가 다루게 될 양자역에서는 이 관객들이 배우에게 영향을 취해야 됩니다. 무슨 뜻인지 궁금하시죠? 그에 대해서는 차차 같이 알아보도록 하죠. 사실 원자에 대한 이야기는 굉장히 오랜 역사를 갖고 있어요. 즉 이 세상 모든 것은 무엇으로 되어 있는가? 라는 질문에서 나온 거죠. 모든 문명권은 이 질문에 대한 답을 가지고 있었는데요. 아마 저희가 가장 잘 알고 있는 것은 고대 그리스에서 나온 이야기일 겁니다. 고대 그리스의 철학자들은 이 세상이 4가지 물질로 되어 있다고 생각을 했대요. 그래서 그림에 보시는 것처럼 흙,

물, 공기, 불 이 네 가지를 모아서 눈에 보이는 모든 것을 만든다 이걸 우리가 사원소설이라고 합니다 상당히 이상한 이야기인 것 같지만 나름대로는 다 근거가 있는데요 저희가 지금 그리스 철학을 자세하게 이야기할 생각은 없으니까 이렇게 믿었던 때도 있었다 이런 걸 말하고 싶어요 재미있는 것은 바로 이 사원소설을 그리스 사람들은 수학과 연결시켰다는 겁니다 플라톤도 역시 사원소설을 믿었었는데요 사실 기하학 고대 그리스인들이 만들었던 위대한 수학인 기하학에 따르면 이 세상에는 다섯 개의 정반면체가 존재합니다

놀랍게도 정다면체 모든 면이 똑같은 모양을 갖는 정다면체는 딱 5개밖에 없어요. 이걸 준비할 수가 있는데 아무튼 이게 뭔가 심오한 뜻이 있지 않을까 라고 생각한 플라토는 이 5가지 정다면체를 4원소에 대응을 시킵니다. 예를 들어 정4면체를 불, 정6면체를 흙, 정8면체를 공기, 정20면체를 물에 대응시키는 것이죠. 문제는 이렇게 하나가 남잖아요. 그래서 이 마지막 남은 하나에다가 이름을 에테르라고 붙이고 에테르 화면 들어보신 적 있죠. 네 저희가 지난 마지막 시간에 에테르라는 얘기를 했었어요. 즉 빛의 매질로 상상되었던 물질이죠. 당시 플라톤은 에테이르를 가지고 하늘에 있는 천상의 물질이 에테이르가 아닐까라고 생각을 했었다고 해요.

아무튼 이런 이야기들은 지금 저희가 알고 있지만 틀린 이야기인데요. 사람들은 이 세상을 이해하기 위해서 많은 가설과 상상을 했었다는 걸 이야기하고 있습니다. 아마 고대 그리스 철학자들 가운데서 지금 우리가 알고 있는 원자에 가장 근접한 답을 낸 사람은 바로 이 데모크리토스였고요. 아마 저희가 1주차 강의 때 데모크리토스의 원자론을 설명했었어요. 제가 더 자세하게 이야기하지 않을 텐데요. 데모크리토스의 원자론을 발전시켜서 우리 인간은 어떻게 살아야 할까에 대한 답을 낸 사람이 에피쿠로스라고 했고요. 이제는 철학은 그 뒤에 붙여집니다. 모두가 잊어버리죠. 하지만 그리스 시내가 지나서 로마 시대가 오자 로마의 철학자라고 할 수 있는 루크 레티우스라는 사람이 바로 이 생각을 다시 소개하게 돼요.

그래서 거의 기원전이죠. 기원전. 거의 기원에 가까운. 지금으로부터 한 2000년 전인데요. 그때 사물의 분성에 관하여라는 책을 쓰게 되고요. 그 책에 보면 이렇게 원자에 대한 이야기가 나옵니다. 원자들은 어쩌고 저쩌고 이런저런 방법으로 뒤범벅이 되는 끝없이 움직이는 서로 부딪히고 몰려다니고 아무튼 이렇게 원자들이 이 우주가 만들어지는데 필요한 모든 배우를 갖춘다. 이렇게 굉장히 시적인 표현을 통해서 그 원자로를 소개하고요. 나중에 이 책이 르상추 시대에 다시 소개가 됩니다. 그래서 따지고 보면 지금까지 남아있는 원자에 대한 가장 오래된 책. 남아있는 책은 바로 이 사물의 분성에 관하여라고 볼 수가 있겠죠.

아무튼 이런 재미있는 옛날 이야기는 뒤로 하고 본격적으로 원자 이야기를 해볼게요 물리에서는 무언가 원자다 라고 이야기할 때 그것이 어떤 구조가 있다는 것을 의미하는 거고요 볼 수도 있어야 되고 공간적으로 어떻게 배치된지도 얘기할 수 있어야만 해요 현재 보시는 이 그림은 저희가 보통 원자를 모식적으로 표현할 때 즉 단순하게 표현할 때 원자를 쓰는 그런 형태입니다 많이 보셨을 거에요 이걸 단순화시키면 원자력 발전 같은 거 할 때 또는 방사능 같은 거 할 때 보여주는 마크가 되기도 하는데요 아무튼 원자라는 것은 이 중심에 몰록 몰록한 원자 핵이 있고 그 주변에 검은색 전자학을 돌고 있다는 것이 원자의 모습이죠

이걸 아마 다 아실 거라고 저는 믿는데 저희가 이걸 가지고 앞으로 계속 이야기를 할 거라서 굉장히 중요한 그런 구조예요 자 그래서 세상 모든 것이 원자로 되어 있다는 것은 바로 저 원자가 레고 블록이라면 이 세상은 레고 월드라는 뜻입니다 여러분이 주변에 어떤 것을 보더라도 조금 전에 보여드린 그런 원자들의 모임으로 설명할 수 있다는 뜻이죠 그런데 원자는 우리들의 보이지 않아요 그래서 여러분들이 원자에 대한 이야기를 많이 들었지만 한 번도 원자를 여쭤본 적이 없는 이유인데요 여러분 손을 보면 이 손도 원자로 되어 있지만 아무리 손을 봐도 제가 조금 전에 보여드린 그런 구조는 보이지 않습니다 왜냐하면 원자는 너무 작기 때문에요

원자가 얼마나 작은지에 대해서 여러가지 표현들이 있는데 교과서에 보시면 원자의 크기가 대략 10에 -10승m라고 나옵니다 자 이런 표현이 어떻게 되질지 모르겠지만 많은 사람들한테는 아무 느낌도 오지 않는 표현이죠 10에 -10승이라는 것은 0.000을 한 9개 쓰고 1m라고 쓰는데 여전히 느낌이 오진 않아요 10억분의 1m인데요 그래서 제가 이런 비유를 들어볼게요 여기 10번짜리 동전이 있죠? 이 동전도 원자로 되어 있습니다 물론 여러분이 아무리 본다면 원자로 보이지 않아요 자 여기 지구가 있습니다 지구도 원자로 되어 있죠? 물론 10번짜리 동전보다는 엄청나게 크지만 여전히 원자로 되어 있고 여전히 원자로 보이지 않아요 자 제가 왜 하필이면 동전과 지구를 보여드리고 있냐면은 바로

동전과 지구의 크기의 비가 정확히 원자와 동전의 크기의 비와 같아요 그러니까 여러분이 10번짜리 동전에서 원자를 보고 싶으면 지구에서 10번짜리 동전을 볼 수 있어야 하는 뜻입니다 안보이겠죠? 그래서 우리는 모든 것이 원자로 되어 있지만 원자를 볼 수는 없어요 하지만 원자를 지금은 볼 수가 있어요 무슨 뜻이냐면 제가 대학창시절 때에만 해도 원자를 절대 볼 수 없다고 배웠지만 오늘날에는 원자를 보는 장치들이 있습니다 간접적으로 원자를 볼 수 있고요 제가 원자들이 춤추는 모습을 보여드릴 텐데 동영상 하나 보시죠

자 지금 보신 동영상은 소년과 원자 보호의 앤티스 아톰이라는 그런 동영상인데요 이 동영상은 2013년 IBM에서 만든 겁니다 여기 보시면 동글동글한 것들이 보이죠? 이게 다 원자하고요 원자를 하나씩 하나씩 움직이고서 프레임 와이 프레임으로 다 사진을 찍어서 만든 그런 정말 노가다가 객집된 그런 동영상이죠 여기에 사용된 기술은 STM이라는 겁니다 STM은 스캐닝 터널링 마이크로스코프 우리말로 주사 터널링 현미경이라고 하는데요 원래는 원자를 직접 보기 위해서 만들어진 거예요 그래서 저희가 잠깐 이야기하겠지만 원자에다가 탐침을 갖다듬으면 그 사이에 전자들이 이동을 할 수가 있어요 전자가 이동하는 흐름을 보고서 탐침을 움직여가면서 원자가 어떤 형태로 배열되어 있는지 알아내는 장치죠

사실 이 장치를 만든 공료로 두 사람이 1984년에 노벨 물리학상을 받습니다. 사실 이들이 사실 IBM에 있었어요. 아무튼 지금은 원자를 볼 수 있다. 이런 이야기를 붙이고 싶고요. 이것이 실제로 STM 장기입니다. 동영상은 재밌게 보셨겠지만 막상 저런 동영상을 만들고 원자를 제어하기 위해서는 무시무시한 장치들이 필요하죠. 이런 게 왜 필요한지는 저희가 차차 이제 배울 겁니다. 그래서 다시 원자로 돌아왔는데 원자의 모습은 가운데에 원자핵이 있고 그 주변에 전자가 돌고 있고요. 원자핵은 플러스 전화를 띄고 있습니다. 보시면 빨간색과 파란색 두 종류의 뭔가 입자들이 보이잖아요. 빨간색은 양성자고 파란색은 중성자입니다. 역시 이해를 나중에 이야기할 텐데 그리고 그 주위를 돌고 있는 전자는 음의 전화를 띄고 있죠. 그러니까 원자핵과 전자 사이에는 플러스 마이너스 전자값 시간에 비웠던 전기력이 작용한다는 뜻입니다.

전기력은 이 경우 인력이죠. 당기는 힘이에요. 그러니까 이 구조는 사실 놀랍게도 태양계와 똑같습니다. 태양계에서는 중심에 태양이 있고 그 주변에 지구와 화성 같은 생성이 있는데 이들 사이에는 중력에 의한 인력이 작용하죠. 여기서는 전기력이 인력 역할을 하는 겁니다. 그러니까 놀랍게도 이 태양계의 모습이 원자 안에 들어있다는 건데 놀랍다면 놀랍지만 또한편으로 놀라운 것도 아니죠. 사실 우주와 원자의 모습이 다르다는 것도 이상하잖아요. 그런데 제가 감자고 싶은 것은 이 스케일이에요. 스케일. 이 그림을 보면 원자액이 상당히 큰 것처럼 보이지만 사실은 그렇지 않습니다. 원자액은 실제로 훨씬 더 작은데요. 제가 얼마나 작은지를 이야기하기 위해서 비유를 들어볼게요. 자 여기 보시면은 서울. 서울의 지도입니다. 여기 지금 경희대학교가 보이시나요? 정충항에 저희 학교가 있는데요. 여러분이 만약에 경희대학교 교정에 서서

농구공을 하나 두고 있다고 상상해보세요 농구공이 지금 원자핵입니다 원자가 워낙 작기 때문에 원자를 확대하려고 하는 거예요 원자를 확대해서 보면 즉 원자핵이 농구공이 될 만큼 확대를 했다고 하면 자 여기 원자에 있는 거죠 그럼 원자는 도대체 얼마나 크기가 될까 즉 전자들은 어디쯤에서 돌고 있을까 그렇게 생각해 보실 수가 있을 텐데요 느낌이 오시겠지만 이 그림에서 만약에 원자핵이 농구공 하나 타면 전자는 음 어디쯤 있나요 보시면은 저기 여의도 가까운 데 돌고 있네요 그쵸 강남쪽에 있죠 그렇게 먼 곳에 전자가 있습니다 그렇다면 원자핵과 이 전자 사이에는 뭐가 있는 걸까요

세상 모든 것은 원자로 되어 있고 원자는 원자의 과도 전자로 되어 있어요 그 사이에는 아무것도 없습니다 텅 빈 공간이죠 사실 원자는 그 자체로 텅 비어 있어요 참 놀라운 일이죠 여러분 몸은 거의 텅 비어있는 원자들이 모여진 겁니다 자 이제부터 여러분 질문을 하셔야 되겠죠 텅 비어있는 원자가 모여서 만들어진데 몸은 왜 텅 비어있는 것처럼 보이지 않는가 사실 질문에 답이 있고 저희가 아직 공부할텐데요 그 이유는 여러분 몸은 텅 비어있지만 빛이 이 텅 빈 공간을 통과하지 못하고 반사하기 때문에 여러분이 보기에는 꽉 찬 것처럼 보이는 것 뿐입니다

실제로 여러분 몸은 통 비어있기 때문에 어떤 빛들은 여러분 몸을 그냥 통과하기도 해요. 전파죠. 여러분 스마트폰이 터질 때 아무리 몸으로 가려도 여러분 몸이 통과해 버립니다. 전파가 보기에 여러분 몸은 통 비었기 때문이죠. 아마도 이쯤에서 이런 동양의 사상이 떠오를지 모르겠어요. 색 즉 시공 공 즉 시생. 그렇죠? 색은 공과 같고 공은 색과 같다. 사실 양자의 이야기 하다보면은 여러분이 점점점점 더 많은 동양 사상이 떠오를 겁니다. 하지만 조심하셔야 돼요. 이건 단지 비슷할 뿐이지 똑같은 것은 아닙니다. 자칫하면 사회의 과학으로 빠질 수 있으니까 조심하시기 바라고요. 자 이제 원자에 대한 재밌는 이야기만 해봤고요 이제 좀 더 좀 더 깊게 원자의 역사를 한번 같이 보기로 하겠습니다

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이 논문을 통해서 아인스타인은 놀라운 제안을 하게 되요. 마크 플랑크가 이야기했던 띄엄띄엄한 에너지가 에너지가 띄엄띄엄한 것이 아니라 빛이 입자라서 그런게 아닐까라는 말을 하는 거죠. 사실 마크 플랑크는 당시 베를린 대학 교수였기 때문에 빛이 입자인지 모른다는 생각을 했지만 차마 입자라는 말을 하지 못해요. 왜냐하면 빛이 입자인 줄 알고 있다가 전자기파 이론을 통해서 이제 모두가 빛이 파동이라는 것을 인정하는 이 상황에서 다시 빛이 입자라는 말을 하기면 베를린 대학 교수가 할 얘기는 안 했던 거죠. 위험했던 거죠. 자 이제 본격적으로 저희가 원자 이야기를 해볼 텐데요.

원자 이야기를 하기 위해서 먼저 빛을 얘기해 줘야 돼요. 빛이 굉장히 중요한 거였죠. 그래서 두 번째 주제는 빛의 이중성입니다. 빛은 제가 전자기파라고 이야기했었죠. 기억나시죠? 전자기파 이야기에서 했던 마지막 주제는 바로 전자기파를 이용해서 통신을 할 수가 있고 첫 번째로 이루어진 통신은 전자기파를 이용한 모르스부호 통신이었습니다. 바로 이 사진이 전자기파를 이용한 모르스부호 통신을 하고 있는 그런 사진인데요. 이 장치를 가지고 처음 출항했던 배가 바로 타이타닉이었죠. 배는 사실 SOS를 타전하긴 했지만 침몰했고요. 아무튼 지금 이 양자육학이 탄생하는 이 시점은 바로 이렇게 무선통신이 시작되던 그런 시점과 일치합니다. 즉 빛의 정체를 완전히 알고 있던 빛은 전자기파다 라는 답이 나온 시점이었죠.

자 이 당시에 또한 전기가 문명에 널리 쓰이고 있던 즉 전기로 된 등을 여기저기 달기 시작하면서 인류가 밤을 정복하기 시작한 시기이기도 합니다. 자 이때 전등이 등장하기 전에는 보통 가스등을 이용해서 낮에 길거리를 베렸어요. 자 이제 많은 나라들이 저 가스등을 전기등으로 교체해야 되는 그런 상황에 직면합니다. 마치 우리로 친다면 구리로 되어 있던 인터넷 케이블을 광케이블로 까는 그런 사업 같은 거였던 거죠. 자 이제 어떤 전구를 써야 될까? 이거 굉장히 중요한 문제입니다. 왜냐하면 도시의 모든 거리에 있는 가로등을 다 교체하는 문제이기 때문에 이걸 자칫 잘못 결정했다가는 금방 전기가 꺼지거나 고장 나거나 그러면 엄청난 돈이 들어가겠죠. 그래서 당시 독일에서는 이 문제를 연구하기 위해서 연구소가 만들어지고요. 베를린 제국 물리기술연구소인데요. 여기서는 어떤 종류의 필라멘트를 사용해서 어떤 전구를 쓰는 것이 우리가 가장 오랫동안 가로등을 쓰는 방법이니까 연구하기 시작합니다. 자 저 전구란 것은 배결전구를 얘기하는 건데요. 배결전구를 얘기하는 건데요. 배결전구를 얘기하는 거죠. 배결전구의 특징은 바로 전기를 통해서 저항이 있다고 들었잖아요. 저항 때문에 빛이 나는 그런 현상을 이용하는 겁니다. 즉, 뜨거워진 금속이 빛을 낸다는 것 때문에 전구가 작동하는 거예요.

자 바로 여기 색심이 되는 것은 왜 뜨거운 금속은 빛을 낼까 하는 문제가 바로 이걸 결정하는 데 중요한 기반이 되는 물리였던 것이죠. 이것을 우리가 흑체 복사라고 불립니다. 흑체 복사라는 것은 꼭 금속에만 적용되는 건 아니고요. 온도를 가진 모든 물체는 빛을 냅니다. 하지만 이 당시에 어쨌든 뜨겁게 가열된 금속이 빛을 내는 문제가 많이 바뀌기 때문에 굉장히 뜨겁게 가열된 사진에서 보시는 것처럼 가열된 금속은 빛을 내죠. 그런데 온도에 따라 빛의 색깔이 바뀌어요. 처음에는 붉은색이다가 더 가열을 하면 노란색이 되고요. 나중에는 노랗다 못해 하얗게 됩니다. 자 그래서 구체적으로 어떤 종류의 빛이 온도에 따라 나오는가를 연구하기 위해서 이 그림을 보시는 것처럼 스펙트럼 저희가 전자기파를 배울 때 전자기파는 바로 이

주파수의 함수 혹은 파장의 함수로 나타낼 수 있다는 거잖아요 그것이 곧 색이라 그랬죠 그림과 같이 온도에 따라 그래프들이 보이실 텐데요 온도에 따라 색이 변해가는 걸 볼 수 있어요 그렇다면 왜 이렇게 색이 변할까 이것이 바로 물리학자들의 의문점이었겠죠 사실 흑채복사도 굉장히 중요한 문제라서 물리학과에서는 이걸 가지고 한참 동안 배우는데 모두를 위한 물리학에서는 이걸 다 배울 수 없기 때문에 제가 결론만 말씀드릴게요 흑채복사에 대한 문제에 대한 답을 낸 사람이 바로 이 사람 마크 플랑크입니다 결국 마크 플랑크는 양자역학의 가장 첫 번째 문을 열었던 사람과 알려져 있어요 그래서 양자역과 관련된 첫 번째 문을 받는 사람입니다 자, 마크 플랑크의 답을 제가 소개하기 전에 이 분의 가정사를 제가 잠깐 이야기하고 싶은데요 얼굴 보면 수심에 잠겨있는 것처럼 보이지 않을까요

오른쪽 사진은 갈란한 가족들의 모습이 보이는데요. 사실 이 마크 플랑크의 가정은 대단히 불행한 역사를 가지고 있습니다. 우선 안타깝지만 아내가 일찌감치 세상을 떠납니다. 그리고서는 여기 보시면 두 딸이 있는데 사실 두 딸이 쌍둥이거든요. 그런데 두 딸이 차례차례 죽습니다. 둘 다 똑같이 아이를 낳다가 출산하다가 죽게 돼요. 그러니까 참 안타까운 일이죠. 아들이 둘이 있잖아요. 그런데 더 안타까운 일은 첫 번째 아들이 1차 세계대전 때 독일 1차 세계대전 때 전쟁에 참전해서 전쟁터에서 죽습니다. 전사한 것이죠. 이제는 마크 플랑크에게는 둘째 아들. 둘째를 하나밖에 남지 않게 돼요. 그래서 애지중지 저 아들을 키워야 되는데 저 둘째 아들마저 2차 세계대전 중에 죽습니다. 그런데 이번에는 전쟁터에서 전사한 것이 아니라 나치 독일 히틀러에 반대하는 조직을 꾸리고 거기 가담했다가 체포가 돼가지고 타행을 당합니다.

사실 당시의 마크 플랑크는 위대한 독일 물리학적이었기 때문에 직접 시틀러에게 이야기하죠. 자기 아들만은 사전을 안하고 하지만 당시 시틀러는 그럴 상황이 아니었죠. 이렇게 가장 모두를 읽는 이런 기극을 당하겠는데요. 하지만 2차 세계전 중에 독일을 지킵니다. 끝까지 지키고 전쟁이 끝난 다음에도 독일을 다시 부흥시키기 위해서 요구를 합니다. 그래서 독일을 다시 부흥하기 위해서 꼭 필요한 것은 과학기술이라고 생각해서 나중에 자신의 이름이 붙은 마크 플랑크 연구소라고 부리는 건데요. 마크 플랑크 연구소는 전 세계에서 가장 많은 독일 상황을 배출하는 연구소입니다. 그 연구소를 통해서 독일을 통해서 독일을 부흥하게 되죠. 이렇게 아주 복잡한 개정사를 그진 그런 사람입니다.

아무튼 막스 플랑크의 아이디어는 극체복사를 설명하기 위해서는 빛이, 빛이라는 에너지가, 빛이 가는 에너지가 띄엄띄엄 해야 된다. 자 이게 무슨 뜻이냐면은 빛이 이렇게 사과와 같이 덩어리로 되어 있을지 모른다는 뜻입니다. 에너지가 띄엄띄엄하다는 얘기는 자 일반적으로 그 에너지는 예를 들어서 위치에너지 같은 건 높이가 에너지잖아요. 높이는 아무 곳이나 갈 수 있기 때문에 에너지가 연속적입니다. 0부터 2미터까지 모든 값이 가능하죠. 하지만 사과의 에너지, 사과 덩어리를 에너지라고 생각한다면은 사과 덩어리가 가는 에너지는 한 개, 두 개, 세 개 밖에 존재할 수 없으니까 띄엄띄엄하게 에너지가 존재하겠죠. 막스 플랑크의 생각은 전자기파는 파동이지만 이유는 모르겠는데 전자기파의 에너지가 h 곱하기 new new는 진동수예요. 저희가 진동수가 먼저 되었죠? 파동의 진동수 곱하기 어떤 h 이 h는 오늘날 우리가 플랑크의 이름을 붙여서 플랑크 상수라고 부르는데 이렇게 덩어리화 되어 있다는 이런 주장을 하게 됩니다. 정말 이상한 이야기죠.

빛은 전자기파하고 입자가 아닌데 입자가 같은 특성이 있다는 뜻이죠. 이렇게 해야지만 흑체 복사가 이해된다는 겁니다. 실제 흑체 복사는 굉장히 널리 수여요. 아마 여러분은 태양의 온도가 얼마든지 들어보셨을 겁니다. 들어본 적 없다고요? 태양의 표면에 온도는 6000 켈딘이라는 거죠? 한 5700도쯤 됩니다. 자 그런데 저 온도를 어떻게 알았을까요? 저기 직접 가서 온도계를 댄 사람은 없을 테고요. 가기 전에 죽겠죠. 어떻게 알 수 있냐면 태양도 흑체입니다. 그렇죠? 빛을 내고 있는 뜨거운 물체죠. 그러니까 태양으로부터 오는 스펙트럼을 보고 아까 막스프랑스가 설명했던 곡선에 비교해보면 아 태양이 6000 켈딘에 해당하는 흑체의 분야라고는 알 수가 있죠. 우리가 이런 식으로 직접 가보지 않아도 빛만 가지고 대상의 온도를 알 수 있는 방법이 바로 이 흑체 복사 복권입니다. 실제 우주의 모든 별들의 온도도 이런 식으로 알아낼 수가 있고요. 용광로에서 끓고 있는 금속의 온도도 이렇게 흑체 복사를 이용하여 질 수가 있습니다.

사실 일상생활에서는 이렇게 그 여러분이 아마 코로나 때 많이 사용하셨을 텐데요. 귀에 대기만 하면 머리에 대기만 하면 온도를 읽어주는 이 장치는 바로 흑체 복사를 이용하여 여러분 몸에서 나오는 이런 적외선을 감지하여 온도를 재는 겁니다. 그러니까 흑체 복사는 굉장히 중요한 현상이에요. 저희가 전에 상대성 이론을 공부하고 우주를 공부할 때도 우주 배경 복사를 하고 있던 이런 표현을 썼던 기억이 나시나요? 우주 배경 복사는 빅뱅의 증거라고 했죠. 그래서 이 빅뱅의 증거로부터 즉 이 우주가 빅뱅한 이후 생겨난 전자기파가 꽉 차있는데 그 전자기파가 현재 이 우주의 온도에 맞는 흑체 복사 분포를 이루고 있다는 겁니다. 바로 이걸 이용해서 우주의 온도가 2.7 켈빈이라는 사실을 알고 있죠. 대략 영하 270도입니다. 그래서 이런 곳에 수 있는 흑체 복사는 굉장히 중요한 것이고 바로 막스 플랑크는 빛이 알갱이와 같이 에너지가 뛰어뜨려와는 사실을부터 이 흑체 복사의 성격을 설명했던 겁니다.

이것은 빛이 입자일지도 모른다는 첫 번째 증거예요 두 번째 증거는 1902년에 나오게 되는데 바로 광전 효과라는 거죠 광전 효과는 저희가 지난 시간에 잠깐 이야기했던 진공관 기억나시죠? 진공관이 왜 나는지 설명했었는데요 진공관이 만들어지고 그 안에 이렇게 전류를 놓고 그 사이에 전압을 걸어서 이 사이를 뛰어다니는 그런 입자에 대한 이야기를 저희가 하면서 마지막 시간을 마쳤었는데요 이때 사실 자세히 이 시험을 들으다보면 큰 전압을 걸어서 전자를 이동하게 할 수도 있지만

거꾸로 빛을 때려서 전자를 튀어나게 할 수 있습니다. 저희가 X선 설명을 할 때 이 양단 전압을 걸어서 전자가 튀어나갈 때 부딪힌 전자가 만들어내는 빛이 X선이라고 했어요. 이 과정을 뒤집으면 거꾸로 이곳에 전자기파를 때리면 전자가 튀어나올 수도 있다는 뜻이죠. 그래서 광전효과라는 것은 빛 광자인데 빛이 전자를 만들었다는 뜻이에요. 여기까지는 그럴 듯하다 가능하다고 생각할 수 있는데요. 이 광전효과를 분석하던 르나르트는 그 이전에 우리가 갖고 있었던 전자기학을 가지고 아무리 이걸 이해하려고 해봐도 이해되지 않는다는 사실을 알게 돼요. 구체적으로 어떤 사실이 이해되지 않았는지는 제가 설명하지 않을 겁니다. 이것도 역시 많은 지식이 필요하기 때문인데요. 아무튼 이 광전효과의 이해할 수 없는 점들을 발견하고 한 공로로 나중에 르나르트는 노베이 불이학사가 같습니다. 아무튼 저희 이해할 수 없는 현상을 설명하기 위해서 다시 우리의 스포스타 아인슈타인이 등장하죠.

그래서 아인슈타인은 우리 모두가 알고 있는 상대성 이론 특성대성 이론을 내놓던 1905년 기적의 해라고 하는데요. 그 해에 이런 논문도 씁니다. 상대성 이론만 남은 것이 아니라 바로 이 광전 효과를 설명하는 논문을 쓰죠. 이 논문을 통해서 아인슈타인은 놀라운 제안을 하게 되요. 마크스 플랑크가 이야기했던 띄엄띄엄한 에너지가 에너지가 띄엄띄엄한 것이 아니라 빛이 입자라서 그런게 아닐까라는 말을 하는 거죠. 사실 마크스 플랑크는 당시 베를린 대학 교수였기 때문에 빛이 입자인지 모른다는 생각을 했지만 차마 입자라는 말을 하지 못해요. 왜냐하면 빛이 입자인 줄 알고 있다가 전자기파 이론을 통해서 이제 모두가 빛이 파동이라는 것을 인정하는 이 상황에서 다시 빛이 입자라는 말을 하기는

베를린 대학 교수가 할 얘기는 아니었던 거죠. 위험했던 거죠. 하지만 아인스타인은 용감하게 빛은 입자고 빛이 입자라면 이 광전효과는 입자인 빛이 당분공처럼 전자를 때려서 1:1로 전자를 튕겨내는 그런 시험이라는 사실을 이야기합니다. 이렇게 하면은 광전효과에서 있었던 모든 미스터리가 다 해결이 돼요. 사실 나중에 그 아인스타인 노벨의상을 받게 될 때 아인스타인의 노벨의상은 상대성 이론에 주어진 게 아닙니다. 상대성 이론은 워낙 이상한 이론이었거든요. 그래서 노벨의상 위원회는 고민을 하다가 광전효과를 설명한 공로로 노벨의상을 수여하게 됩니다. 즉 아인스타인은 광전효과에서 빛이 입자라고 딱 닿아서 쓰는데요. 아마 그 문장을 마크스 프랑크가 썼다면 노벨의상은 어떻게 받는 수 있을지 모른다는 얘기죠. 아무튼 아인스타인은 바로 이 광전효과 덕분에 노벨의 물리학상을 닫게 됩니다.

자 지금 빛이 입자인지 파동인지를 놓고 문제가 생긴거에요. 원래 빛은 입자라고 뉴턴이 얘기했습니다. 광학이라는 책을 써서 처음으로 이 빛의 문제를 물리학적으로 설명했던 뉴턴, 물리학의 슈퍼스타. 뉴턴은 빛이 입자라고 했는데 18세기 19세기를 거치면서 빛이 파동이라는 증거가 쌓이자 결국 지금 우리는 빛이 전자기파는 사실을 알고 있고 이 당시의 이 전자기파는 사실을 이용하여 무선통신을 하던 때입니다. 그런데 다시 빛이 입자라고요. 실제로 아인스타인이 광대효과를 빛의 입자성으로 설명했을 때 당시의 물리학자들은 누구도 믿지 않았어요.

오히려 조롱합니다. 당시 아인스타인은 유명한 물리학자가 아니었거든요. 당시 아인스타인은 특허청에서 일하는 말단 공무원이었습니다. 그거 그거 봐 저렇게 말단 공무원이니까 말도 안되는 소리를 하지. 상대성 이론에 대해서는 모두가 심각하게 고민을 했지만 이 광전효과에 대해서는 별로 반응이 좋지 않았어요. 그래서 아주 오랫동안 이 광전효과를 설명하는 빛의 입자설이 무시됩니다. 하지만 1923년 그러니까 1905년 이후로 10년 이상의 시간이 지난 다음에야 비로소 물리학자들은 빛이 입자라는 사실을 믿기 시작하는데요. 바로 그 실험이 있었기 때문이죠. 컴퓨턴이라는 사람이 실험을 하는데 컴퓨터는 물론 이 시점에 대한 이유는 있어요 그건 또 다음 그 차시 설명할텐데요

빛이 정말 입자일지를 알아보는 시험이 하나 더 필요한 생각이 됩니다. 현재까지는 혁체부기관이라든가 경제역과 같이 에너지를 따지는 시험들이었어요. 빛의 에너지가 띄엄띄엄 환지를 놓고 빛이 입자라는 것을 추정하는 건데요. 정말 빛이 입자라면 당구공처럼 때리고 맞고 움직이고 치어 나가고 이럴 때 저희가 당구공을 다루는 전형적인 문제가 있어요. 바로 탄란시험입니다. 보통 이런 문제는 맞는 입자나 때리는 입자나 다 운동량, 속도와 진량과 방향과 에너지가 모두 있기 때문에 이것들을 다 깨 맞춰서 이것들이 어떻게 서로 충돌한 이후에 운동할지를 설명할 수가 있어요. 이건 뉴턴 역학의 문제입니다.

자 그런데 지금 빛은 원래 파손인 줄 아는데 빛이 입자라면 빛이 진짜 속도를 갖고 있는 어떤 입자인 것을 행동할 것이고요. 정지에 있는 전자와 맞아서 무언가 이 당동문제같이 행동할 거에요. 이걸 확인해보자는 것 같습니다. 컴퓨터는 정말로 이걸 꼼꼼하게 확인해보게 되는데요. 이 실험의 결과는 정말로 빛이 입자가 맞다는 겁니다. 꼭 질량이 있는 입자와 같이 좀 더 정확히는 운동량이 있는 입자와 같이 행동한다는 것이죠. 이 실험이 이루어지자 비로소 물리학자들은 빛이 입자가 아닐까 라는 생각을 하기 시작하는데요. 이제 큰 문제가 생긴 거죠. 입자 이메사 파동이순 없거든요. 하지만 적어도 이 많은 실험들은 빛이 파동이면서 동시에 입자라는 뜻을 보여줍니다.

이것이 바로 물량을 뒤들기 시작한 탁관이죠 자 이제 다음 시간에 이어서 다음 스토리로 들어보도록 하죠

이 일을 했던 가이거라는 사람이 그중에 한 사람인데요. 가이거는 나중에 자신의 이름을 이 남자는 검출기에 남기게 되죠. 저희가 그 남자는 검출기 이름이 가이거 개수이라고 하는데 바로 가이거입니다. 가이거가 이렇게 일정을 하는데요. 놀랍게도 이 직각 방향으로 튀어나오는 입자를 대결한 거죠. 이게 미끼 어려운 일이죠. 종이를 놓고 총을 쏘는데 총알이 종이에 막 흥겨나온 거예요. 자 이제부터 머리를 쏟아낸다. 무슨 집으로 된다. 자 이제부터 공적적으로 완자 이야기를 해드리려고 합니다.

물론 현재 우리의 문제는 빛이 있자, 기가 파동인가 하는 거였죠. 그건 잠깐 접어두고요. 일단 원자에 대한 단서는 저희가 지난 시간에 이야기했던 바로 이 크룩스관에서 나옵니다. 크룩스관이란 것은 진공으로 안에 공기를 뽑은 관인데요. 원래 이것은 전자기학의 역사에서 나오죠. 전자기학의 역사에서 흥미로운 지정은 바로 번개를 만들 수 있다는 거였잖아요. 우리 인간이 전압을 높게 걸어놓은 두 개의 전국이 있으면 공기 중에 번개가 집니다. 이 번개를 깨끗하게 보기 위해서 이와 같이 진공을 만들어준 이런 관을 만들고 그 안에 전국을 넣으면 깨끗한 어떤 흐름이 보인다고 했잖아요. 이 흐름의 정체가 뭘까 하는 것이 당시의 중요한 질문 중에 하나였어요.

일단 이런 것들을 알아보려면 여기다 뭔가 하는 걸 걸어봐야 됩니다. 건드려보거나 조작을 가해서 어떤 반응을 하는지를 봐야 정체를 알 수 있잖아요. 즉, 질문은 이런 거죠. 진공을 뽑은 어떤 관이 있고 그 안에 +- 전극이 있는데 높은 전압을 걸었더니 무언가 이동을 했다. 이것의 정체는 뭘까? 많은 실험들이 이루어집니다. 사실은 잠깐 보시는 것처럼 실제 이 움직이는 빔을 가지고 바람개비를 때리면 바람개비를 돌아가요. 그러니까 이건 분명히 질량을 가진 입자일 확률이 크다는 뜻이죠. 결론을 뭐냐면 이때 발견된 것은 바로 전자라는 겁니다. 전자를 발견한 공로로 바로 이 텅슨이라는 사람이 노베의 물리학상을 갖게 되는데요. 이것이 전자기모를 밝혀지게 되는 과정은 저희가 전에 배웠던 전자기하, 엑셀 방정식을 후면 되는 겁니다.

이렇게 이동하고 있는 전자에 대해서 밖에서 전기장과 자기장을 걸어보면 된다는 거죠. 전기장을 걸면 전자는 힘을 받습니다. 저희가 배웠었죠? 전기장 내에서 전하가 힘을 받기 때문에 방향이 꺾이게 돼요. 전기장을 점점점 세게 해주면 점점점 더 많이 방향이 꺾일 거고 그것이 어느 정도로 꺾이는지를 계산해보면 이것의 전하량이 얼마고 질량이 얼마인지 이런 정보들을 알아낼 수가 있겠죠. 또한 자기장을 걸어도 전하가 꺾입니다. 노렌트심이라고 불리우는 힘이 되어야겠죠? 자기장 내에서 전하가 움직이면 힘을 받는다.

그래서 그걸 이 두 가지를 이용해서 전기장과 자기장을 잘 걸어주면 전화를 꺾어서 꺾이는 정도에 의해서 이 움직이는 물질의 전화와 질량을 알 수가 있었고요. 그것으로부터 여기서 얻어진 이 질량이 우리가 알고 있는 가장 작은 원자의 질량보다 작다는 사실으로부터 이것은 원자보다 작은 것이라는 말이에요. 즉 원자의 부품이었던 것이죠. 그래서 여기에 전자라는 이름이 있고 바로 오늘 우리가 알고 있는 원자를 이루고 있는 한 구조물인 전자를 발견한 겁니다. 자 그런데 저희가 지금까지 물리학의 역사에서 여러분 봤지만 이렇게 새로운 어떤 현상이 발견되면 이걸 바로 돈을 벌어낼 수가 있잖아요.

제가 전에 이야기했죠 전자기 현상 중에서 그 전류가 흐르는 도선주의에는 자기장이 생긴다 이걸 이용해서 전신기를 만들었죠 유선통신이죠. 큰 돈을 벌었잖아요 모르스 이런 사람들은. 뿐만 아니라 그 헤르츠의 실험 전자기파 발생 이건 무기학에서는 전자기파의 존재를 밝히는 중요한 실험이었지만 이걸 보자마자 마르콘니는 이걸 이용하면 무선통신을 할 수 있겠구나 무선통신은 지금 우리에게 엄청 중요한 것이죠 핸드폰은 무선통신 때문에 가능한 거니까요 자 지금 말씀드린 이 쿨육수관 내에서 전자의 움직임을 제어할 수 있다는 걸 딱 고른 순간 아 이게 돈이 되겠구나 하고 생각한 사람이 있었으니 바로 보라운관입니다

보시는 것처럼 전기장과 자기장을 잘 제어해주면 날아가는 전자를 움직일 수 있어요. 이건 굉장히 빨리 할 수 있습니다. 전기장을 빨리 바뀔 수 있기 때문이죠. 그래서 빠른 속도로 전자의 움직임을 쫙쫙쫙 긁어가지고 하나의 화면을 빠르게 스캔할 수 있다면 바로 브라운관이라는 텔레비전을 만들 수 있다는 겁니다. 그래서 사실 아까 제가 이야기한 전자의 배경이 있고서 불과 한 10년, 20년도치 안 지나서 이런 것들이 넘기 시작합니다. 아마 여러분이 유럽에 가셔서 그 유럽에는 몇만한 도시마다 과학관이 있는데요. 그 과학관에 가시면 그 도시의 과학의 역사를 보여주는데 보기를 가시면 주로 이렇게 브라운관의 초기 형태를 볼 수 있어요. 지금 보면 참 조잡한 것이지만 전자의 움직임을 제어해서 숫자를 쓴다거나 글자를 쓰는 그런 장치들인데요. 그렇게 시작을 했겠죠. 이것이 나중에 발전하여 여러분 지금은 아마 이런 걸 보시기가 어려울 텐데요. 제가 어릴 때는 이런 거대한 장치로 텔레비전을 봤습니다.

텔레비전의 첫 번째 형태라고 할 수 있어요. 그래서 이 텔레비전은 굉장히 두껍거든요. 그 이유는 전자총에서부터 전자를 쏴서 전자가 날아간 다음에 휘어서 꺾여야 되기 때문에 굉장히 긴 거리가 필요하고 다음에 이 장치를 뜯어보면 굉장히 위험하다고 써있어요. 전자를 날려보내기 위해서는 고전하게 필요하잖아요. 그래서 한 2만 볼트가 필요합니다. 그래서 함부로 이거 뜯고서 전원을 킨 상태로 만들어낼 수 있어요. 지금은 저희가 이런 장치를 사용하지 않고 LCD를 사용하고 있잖아요. 그래서 이런 장치는 눈에 보이진 않지만 아무튼 이 진공관 시험을 통해서 오늘 우리가 텔레비전장 불리는 것에 온라니 만들었다

아무튼 톰슨은 전자를 발견한 것으로 그치지 않고요 자신이 발견한 것이 원자보다 굉장히 작은 부분이라는 사실을 알게 되거든요 원자의 질량보다 1000배 이상 작은 것을 발견한 거예요 그렇다면 원자는 어떻게 생겼을까를 상상해볼 수 있겠죠 그래서 우리가 이것을 톰슨의 푸딩 원자 모형이라고 합니다 무슨 말이냐면 전자는 음의 전하를 갖고 있는 작은 입자였어요 하지만 원자는 전체적으로 중성입니다 그렇다면 전자를 뺀 나머지는 플러스 전하를 가지고 있어야지만 플러스 마이너스가 서로 중화되겠죠 그래서 전자를 뺀 나머지 부분이 플러스로 푸딩처럼 되어 있다는 이런 모형을 제시하게 됩니다 이 모형은 수박이랑 비슷해요 수박처럼 되어 있는데 그 안에 점점이 박혀있는 씨앗이 바로 전자고요 마이너스 전하고 이 빨간색 우리가 주로 먹는 부분이죠 이 수박의 내부가 플러스 전하라는 겁니다 그렇게 된 이 원자들이 참고차에 쌓여있는 것이 우리 주위의 만물이라는 거죠 나쁘지 않은 모형 같아요 그래서 이게 맞을까? 이거 알 수 없어요 아직은 이 모형은 단지 전자만을 가지고 이야기한 겁니다 실제로 플러스 부분에 대해서는 어떤 증거도 없죠 자 이제 우리의 두 번째 스타가 등장하는데 스타의 이름은 러더커드입니다 이 사진은 러더커드가 시험했던 시험실을 보여주는 건데

제가 보기엔 마음이 아플 정도로 이런 곳에서 실험을 하는 겁니다. 지금 학생들은 센시한 장치를 많이 보지만 옛날에는 그런 장치를 돈 주고 살 수가 없었기 때문에 존재하지 않았으니까요. 이들이 다 만든 거죠. 아무튼 러더포드가 했던 일은 바로 이 원자의 구조를 밝힌 일을 선 건데 러더포드의 인생을 잠깐 얘기할 수가 있을 것 같아요. 러더포드는 뉴질랜드 사람입니다. 지금 뉴질랜드는 되게 살기 좋고 영화도 많이 찍고 하는 그런 좋은 장소로 알려져 있지만 이 당시의 뉴질랜드는 1900년이죠. 19세기 말의 뉴질랜드는 영국의 개수들이 가는 곳입니다. 살기가 좋은 곳은 아니었고요. 당시의 유럽 중심의 서양사회에서는 변방 중에 변방이 없던 곳이에요

그곳에서 태어난 러더퍼드는 농부의 지반에 있었고요. 나중에 커서 물리학자가 될 거라고 생각하기 힘들었을 겁니다. 아무튼 열심히 공부를 해서 당시 학문에 중심지었던 영계 캠브리지 대학으로 유학을 합니다. 열심히 공부를 해서 박사학위를 받고요. 하지만 이렇게 먼 변방에서 온 사람이 바로 주류사회에 진입하기는 어렵겠죠. 첫 번째로 얻은 직장은 캐나다의 맥길 대학이었어요. 거기서 교수가 됩니다. 지금은 캐나다도 살기가 좋은 나라지만 이 당시의 캐나다는 역시 인류 국가였어요. 인류과학자가 갈까 그런 나라는 뜻이죠. 아무튼 그 캐나다의 맥길 대학에서 러더퍼드는 알파 입자라는 당시의 비밀에 붙여져 있었던 방사능의 어떤 특징을 밝힌 놀라운 업적을 받게 됩니다. 알파 입자는 바로 방사능의 알파, 베타, 감마 입자가 하나인데요. 당시 그 정체를 알지 못했죠. 알파 입자의 정체를 밝힌 공로로 러더퍼드는 노벨 화학상, 물리학상이 아니라 화학상에 받게 돼요. 나중에 러더퍼드는 굉장히 불만을 서스립니다. 나한테 물리학상을 안 주고 화학상을 주지? 이러면서 아무튼 노벨 화학상을 받게 되자 이제 드디어 학문의 중심지로 갈 수 있게 되죠. 영국의 이번에는 맨체스터 대학으로 이동하게 됩니다. 바로 맨체스터 디아크에서 어떤 것들과 중요한 업적을 갖게 되는 거죠

어더포드의 당시 실험은 그 본인이 노벨 화학상을 받은 그 알파입자 알파입자를 가지고 하는 실험이에요 당연하겠죠 이 알파입자를 가장 잘 아는 사람은 당시 전 세계에서 어더포드입니다 어더포드는 바로 이 알파입자를 가지고 모든 것들을 다 때려보는 실험을 하게 돼요 이 알파입자라는 이 방사는 가지고 물자를 때리면 이 물체가 어떤 반응을 할까 이런 실험을 해본 것이죠 알파입자를 가장 잘 다를 수 있는 사람이 없기 때문에 아마 할 수 있었던 실험일 겁니다 그래서 여기 이렇게 그림처럼 얇은 금속으로 된 막을 놓습니다 물론 이것저것 다 해봤을 거에요 그 중에서 금속을 놓았을 때의 결과인 거죠 금속 특히 금

여러분 좋아하시는 금요. 금을 놓고 거기다가 알파입자를 때립니다. 알파입자는 방사능이기 때문에 에너지가 엄청나게 세요. 지금 이 상황을 제가 비유를 들어보자면 종이 한 장을 놓고 거기 총을 쏘는 거랑 비슷합니다. 바로 이 총알이 알파입자인 거죠. 그렇게 에너지가 세요. 자 그러면 당연히 이 총알은 이 종이를 뚫고 지나가서 저 뒤에 벽에 박힐 겁니다. 우리가 벽을 보고 있으면 그냥 직선으로 통과한 총알들만 보게 되겠죠. 실제 그랬어요. 시험을 해보니까. 그런데 이유는 알 수 없지만 원래 많은 놀라운 발견들은 이유를 알 수 없는 것으로 기발합니다.

어느 날 러드포드가 실험실을 갔을 때 자기 제자들이 열심히 실험을 하고 있었어요. 그런데 러드포드가 갑자기 관측기를, 알파일자 검출기를 90도 방향에 놓고서 한번 해보기 하고 갔다 그래요. 지금은 저희가 이런 실험을 할 때에는 관측기를 쫙 뿌리고서 컴퓨터로 다 데이터를 모아서 합니다. 하지만 이 당시에는 이 알파일자가 발견된 시점이잖아요. 이걸 측정할 수 있는 장치도 별로 없었고요. 이 장치의 알파일자가 맞을 때 작은 불꽃이 튀는데 그 불꽃을 눈이 빠지도록 쳐다봐야 됩니다. 어둠 속에서 쳐다봐야 돼요. 높이 코치 분석일 때마다 손으로 직접 카운트를 쓰게 되는 거죠. 이런 시험들을 하고 있었어요.

그런데 이 어더포드가 오더니 자기 제자들에게 지금 알파일자가 이렇게 계속 통과하고 있는데 이게 직각으로 측면하고 있지 모르니까 여기다가 검출기를 놓고 보라고 한 거예요. 당연히 정상적인 사람이라면 우리 선생님이 미쳤나? 그래야 됩니다. 하지만 이 제자들은 어더포드를 대단히 존경했다고 해요. 그래서 어더포드의 말을 믿고 이 90도 방향으로 꺾이는 알파일자를 찾기 위해서 검출기를 놓고 이 틀을 꼬박 갔다고 돼 있습니다. 말이 들이지. 여러분 암흑 속에서 이렇게 한쪽 눈만 뜨고서 반짝이기를 기다리면서 보는 거죠. 실제로 이게 이렇게 갔다 놓으면 한 12시간이나 24시간이 돼야지 상두기가 보고 싶습니다. 그걸 기다리는 거죠. 알고 가위겁니다. 가위겁에서 일정하는데요. 놀랍게도 이 집값 방향으로 튀어나오는 입자를 대결한 거죠.

이건 미끼 어려운 얘기죠. 종이를 놓고 총을 쐈는데 총알이 종이에 맞고 튕겨 나온 거예요. 자 이제부터 머리를 써야 됩니다. 무슨 짓을 버린 것 같다. 여기서 얻어버리면 많은 계산을 하게 되는데요. 이걸 설명할 수 있는 유일한 방법은 원자 안에 굉장히 작은 영역에 아주 단단한 원자의 질량이 대부분 아주 단단한 작은 영역에 다 모여 있지 않으면 이런 결과가 나오지 않는다는 걸 보이게 돼요. 실제 이 논문을 보면 이 반지름이 얼마일지 이거 튕겨내는 반지름이 얼마일지를 계산하는 논문이에요. 그 반지름이 너무너무 작아야 한다는 사실을 보여줍니다.

그래서 원자의 모습은 푸딩이 아니라 전자는 이미 알고 있고요. 전자는 돌고 있고 전자가 있고 그 중앙에 굉장히 작은, 너무너무나 작은 당시 실험으로 측정할 수 없을 만큼 작은 영역에 원자의 질량 대부분이 몰려 있다는 놀라운 제안을 하게 됩니다. 당연히 밖에 돌고 있는 전자가 음에 전하를 띄고 있으니까 요 아주 작은 알갱이, 작은 알갱이의 전하는 플러스에 의한이 있죠. 그래서 러커드가 드디어 원자의 모형을 알아냅니다. 즉, 작은 원자의 중앙에 있고 그 주위에 음에 전하를 갖는 전자가 있는 이들 사이는 전자기력이 작용할 테니까 인력이 작용하고 인력은 거리 제곱에 반비되는 전기력일 테니까 중력과 같은 형태다. 따라서 원자의 모습은 태양계와

같다. 놀라운 말이란 겁니다. 안타깝지만 이걸로 다시 노베상이 주어지지 않아요. 제 생각에는 한 번도 노베상을 줄 수 있었다고 생각하는데요. 아무튼 추가적인 노베상은 없었어요. 자 그래서 드디어 우리가 알고 있는 형태의 원자 모형이 제시가 된 것이고 이 원자 모형을 우리가 따라서 오늘날 러더포드 원자 모형이라고 부릅니다. 하지만 러더포드의 모형에는 심각한 문제가 있었어요. 저희가 전자기학 시간에 자세히 배우지는 않았지만 이러한 같이 전자가 원흥동을 하게 되면 원흥동을 하게 되면 바깥으로 전자기파를 발산합니다. 그래서 이것이 바로 안테나의 원리인데요. 그래서 실제로 이런 구조가 존재한다면

원자핵 주위를 돌고 있는 전자는 전자기파를 발산하면서 에너지를 잃어요. 에너지를 잃은 전자는 점점점점 중심으로 추락합니다. 마치 인공위성의 에너지를 잃으면 지구 표면으로 추락하듯이 전자는 추락해야 돼요. 결국은 이 중앙에 원자핵과 충돌하게 됩니다. 이때 얼마만큼의 전자기파를 발생을 해서 얼마나 빠른 속도로 충돌할지를 계산해보면 눈깜짝할 사이란 달이 나오죠. 그러니까 어더포드가 맞다면 원자는 즉각적으로 붕괴해서 사라져야 돼요. 우리 주위의 모든 물체는 즉각 붕괴하고 사라져야 합니다. 그럼 큰일이 안 되죠. 자 이제 이 문제를 해결할 또 하나의 스타가 필요하다는 뜻입니다. 그 이야기는 이제 이어서 가겠습니다.

한국국토정보공사

따라서 아까 제가 설명했던 불꽃발음에서 나왔던 스펙트럼, 선 스펙트럼과 그 다음에 배선 스펙트럼. 그러니까 하나의 원자가 특정한 타지암의 빛만 흡수방출해야 되는 이유를 설명한 겁니다. 그리고 원자가 안정할 이유는 정상상태로 설명한 것이죠. 이때 물론 보온은 플랑크가 이야기했던 광자의 에너지 공식이 씁니다. 이와 같이 앞에 나오는 것들을 총종합하여 당시 원자에 대해서 알고 있었던 많은 미스터리를 읽어해 설명한 것이죠. 자 저희가 지금까지 러더코드의 원자 모형을 이야기했잖아요. 근데 그 모형에는 심각한 문제가 있습니다. 그 문제를 해결할 사람이 필요한 것이죠.

그 문제는 해결하는 사람이 바로 보호입니다. 사진을 보시는 것처럼 왼쪽이 보호의 젊은 시대 모습이고요. 이 보호라는 사람에 대해서는 또 얘기를 할 필요가 있어요. 왜냐하면 사실 양자 역학의 탄생 과정에서 가장 많은, 가장 중요한 역할을 한 사람을 단 한 사람만 뽑아라. 이런 질문을 받는다면 쉽지는 않거든요. 워낙 많은 사람들이 여기가 돼 있어요. 하지만 저에게 그런 질문을 하신다면 저는 보호를 고를 겁니다. 그래서 보호 얘기는 안 할 수가 없는데요. 보호가 워낙 중요한 사람이다 보니 아마도 많은 분들이 영화 오페나이머를 보셨을 것 같아요. 영화 오페나이머를 보면 거기에 케네스 브래너가 맡았던 역기 바로 보호입니다. 그래서 사과를 들고 있는 역할을 했었는데 기억나시나요? 독일인 사과를 먹을 뻔했던 사람이기도 한데요. 아무튼 이 보호라는 사람도 사실 변방의 사람이에요. 저희가 지난 시간에 러퍼즈가 변방의 사람이라고 했었는데 보호는 덴마크 사람입니다. 덴마크. 물론 덴마크는 서유럽에 있는 자유산한 나라이긴 하지만 학문의 입장에서는 당시 학문을 끌어가는 나라는 바로 독일과 영국입니다. 거기서 봤을 때는 변방에 있었던 사람이죠. 그래서 보호 같은 경우도 장학금을 받아서 공부를 잘 보기 위해서 영국으로 유학을 갑니다. 유학이라 그랬지만 방문학생이 아깝다고 볼 수 있어요. 그래서 방문을 가요 당시 중심지였던 캠브리지로 가요

캔브리지에서 가장 유명했던 물리학자는 바로 톰슨. 전자의 존재를 밝혔던 톰슨이었습니다. 하지만 톰슨하고 잘 맞지 않았어요. 왜냐하면 보호는 이론을 하는 사람이었고요. 톰슨은 시섬을 하는 사람입니다. 시섬을 하는 사람들은 말만 많은 저 이론가들을 별로 좋아하지 않고 더구나 이 보호는 영어를 잘하지 못했어요. 덴마크. 근데 캔브리지라는 곳은 영어를 그냥 잘하는 걸로도 안 되는 곳이에요. 캔브리지 영어를 해야 되는 곳입니다. 계급이 나눠지는 그런 사회였기 때문에 이 보호같이 외국인이고 영어도 못하는 데다가 맨날 말이나 짓거리는 저 이론가를 좋아하지 않았을때요.

하필 그때 옮겨간 대학이 맨체스터였고 맨체스터에 있었던 바로 러더퍼드한테 한거죠. 역시 운이 좋아야 돼요. 그래서 한참 러더퍼드가 자신의 원장 모형을 만들고 도대체 이 원장은 즉각 붕괴를 해야 하는데 이걸 어떻게 하면 붕괴하지 않게 할 수 있을까? 아니면 내가 뭔가 잘못 생각하고 있는 건가? 이런 고민을 하고 있던 바로 정확히 그 시점에 보호가 맨체스터에 나타났던 것이죠. 특히나 보호는 러더퍼드랑 특히 죽이 잘 맞았대요. 보호는 굉장히 축구를 잘 때 말려져 있거든요. 운동도 좋아했고요. 보호의 동생은 덴마크의 국가대표 선수기도 했습니다. 축구에. 아무튼 그래서 보호랑 러더퍼드는 죽이 잘 맞고 우리를 치면 서로 잘 놀고 술 먹고 이러다가 친해진 거죠. 그래서 보호는 여기서 바로 난제를 해결하게 됩니다. 사실 보호가 워낙 양자역하게 중요한 인물이었기 때문에 오페나이머가 나중에 맨하탄 프로젝트, 원장포탄 만드는 프로젝트를 진행하고 있을 때 당시 보호는 라치 독일 치하에 있었거든요. 보호만큼은 반드시 탈출을 시켜야겠다고 굳게 마음 먹고 보호가 꼭 필요하지 않았음에도 당시 군부의 얘기를 해서 우리에게는 보호가 꼭 필요합니다. 그래서 당시 위험을 무릅쓰고 영국 공군이 직접 그

병력을 보내서 보고를 택수시킵니다. 영화에서 보신 것처럼 고어는 나중에 매너튼 프로젝트에 조인하게 되죠. 꼭 필요했던 것보다 당시 모든 과학자들이 고어 선생님을 모셔와야 한다 구애가 한다기 때문에 구애가 왔다고 하더라고요. 자 아무튼 고어는 러더포드의 이야기를 듣고서 이거 전자가 돌고 있다면 안정하지 않을 텐데 하고 고민을 시작하는 거죠. 그 고민을 안고 다시 자기 나라로 돌아옵니다. 자기 나라로 돌아온 다음에 주변의 화학자들로부터 이야기를 듣게 되죠. 화학자들이 와서 야 너 캠브리지 갔다 왔대네. 캠브리지 아니야 멘체스터 갔다 왔어. 멘체스토에서 새로운 걸 듣고 왔다네 원장 모양이 새롭게 나왔다네 막 얘기를 하는 거죠

그러다가 한 화학자가 그러면은 그 새로운 원장 모형 가지고 이 현상을 설명할 수 있냐고 물어보는 거예요 뭘 물어봤냐면은 당시 화학자들은 굉장히 잘 알고 있었던 불꽃 반응입니다 불꽃 반응이라는 것은 금속에 열을 가하면 금속의 종류에 따라 다른 색깔의 빛을 내는 거였어요 이 현상을 이용하여 사실 화학자들은 내가 알지 못하는 금속이 있을 때 그 금속이 어떤 것으로 되어 있는지를 알고 싶으면 그냥 열을 가하면 알 수 있다는 거였습니다 그러니까 굉장히 유용한 현상이었겠죠 실제 이 불꽃 반응을 우리가 이용해서 어떤 것을 하냐면요 불꽃놀이를 합니다

이런 불꽃놀이를 할 때 생형색 세계 빛까지 볼 수 있잖아요. 바로 이것은 그 안에 들어있는 특별한 금속들이 탈 때 나는 색입니다. 이걸 이용하여 우리가 불꽃놀이를 할 수가 있죠. 하지만 당시 화학자들은 왜 이렇게 금속에 따라 다른 색깔의 빛이 나오는지를 알지 못했다는 거예요. 사실 이 이야기를 할 때 저희가 특별한 종류의 빛을 내는 어떤 금속 혹은 특별한 색깔의 빛을 내는 어떤 물질 이런 이야기를 해야 되는데요. 우리가 이때 스펙트럼이라는 이야기를 하게 됩니다. 사실 스펙트럼이라는 것은 프리즘을 이야기해요. 빛을 분해시켜서 어떤 색깔의 빛이 들어있는지를 본다는 뜻인데요. 이와 관련하여, 불꽃 반응과 관련하여 사람들이 알고 있는 또 하나의 사실은 바로 이겁니다. 자 여기 보시면은

그 멀리 있는 집으로부터 멀리 있는 어떤 구름, 별들의 구름이 있을 때 그 구름을 통과하여 비춰오는 경우가 있겠죠. 그 빛을 분석해보면 놀랍게도 그 빛에는 빨간 노트판 한 번 말고도 뭔가 빠진 색깔들이 있어요. 또 이상한 일이죠. 우리가 저것을 흡수선이라고 하는데요. 스펙트럼의 흡수선. 검은색으로 라인들이 보이시죠? 왜 저 선들은 빠져있을까? 또 하나 더 흥미로운 점은 저렇게 흡수를 하는 어떤 별들의 무리, 어떤 기체의 무리가 하늘에 있는데 이것이 빛을 내기도 하거든요. 약하지만. 그 빛을 받아서 대단히 약하지만 그걸 잘 분석해보면 거기서 나오는 빛은 연속적인 스펙점이 아니라 이렇게 띄엄띄엄한 이런 선 스펙점이 나옵니다.

더욱더 흥미로운 점은 똑같은 지금 구름덩어리잖아요. 이 구름덩어리가 내는 빛의 선 스펙트럼. 그 선이 있는 부분이 정확히 흡수 스펙트럼의 빠진 부분과 정확히 일치를 해요. 자 그림 보시면 B와 C가 빠진 부분과 나온 부분이 일치하다는 사실을 알 수 있죠. 이건 무슨 뜻이냐면 어떤 기체들은 특별한 종류의 파장을 갖는 전자기파를 흡수하거나 방출한다는 의미입니다. 바로 이것이 금속이 보여줬던 불꽃 반응의 정체가 같다는 거예요. 그러니까 면밀히 분석해보면 많은 원자들이 특별한 파장의 빛을 방출하거나 흡수한다는 사실을 알 수 있다는 거예요.

이건 왜 그럴까? 이것이 분명 원자의 구조에 대한 단서를 보여주는 것일텐데요. 당시에 몰랐던 것이죠. 자 이제 보호는 두 가지 사실을 알게 됐어요. 두 번째 사실은 본인은 몰랐다고 하더라고요. 자기는 친구들의 얘기를 듣기 전에 몰랐다고 했는데요. 부끄러워했다 그러는데요. 부끄러워할 건 아니죠. 알면 되는 거니까. 두 가지 사실이 있죠. 원자에 대해서 당시에 알지 못했던 두 가지 사실이 있어요. 하나는 러더퍼드가 알는 사실. 원자 핵이 있고 그 주위를 전자가 둔다. 하지만 이런 구조는 안정하지 않다. 또 하나는 원자는 특별한 파장의 빛을 수상으로 방출한다. 그 이유는 모른다. 이 두 개를 잘 껴안히면 좋겠는데 그래서 드디어 본 이 두 개를 껴안쳐서 원자 구조에 대한 자신의 모형을 만들게 됩니다.

우리가 이것을 보호의 원자모형이라고 하죠. 보호의 원자모형의 첫 번째 가정이 무엇이냐면 바로 정상상태입니다. 정상상태는 무엇이냐? 바로 이 문제를 해결하는 건데요. 원자의 주위를 전자가 돌고 있다면 전자기파를 발생하여 추락해야 됩니다. 이거는 안 되는 일이죠. 이랬다가는 원자가 안정하지 않을 테니까 그래서 여기서 보호는 무시무시한, 좀 바보같기도 하고요. 좀 이런 식으로 과학을 해도 되는가? 이렇게 질문할 수 있는데 그냥 정상상태란 게 있다고 하자. 이게 뭐냐면 이유는 모르지만 전자가 원자의 주위를 돌 때는 전자기파를 내지 않는다.

전자기학이 트였다는 겁니다 적어도 전자기학은 이러면 된다고 얘기하지만 맥슈엘이 만든 전자기학이 적어도 원자에는 적용되지 않는다고 하는 겁니다 이거 괜찮으세요? 괜찮지 않죠 일반적으로 아무튼 아마 이것만 얘기했다면 다들 비웃었을 거예요 이거는 이게 전자기파를 내지 말아야 하기 때문에 내지 말아야 한다고 그냥 해야 하는 거니까 이건 과학도 아닙니다 하지만 이 원자 모형이 중요한 것은 이 다음 번 이야기 때문이죠 정상 상태가 있는데 이 정상 상태는 띄엄띄엄 있다는 겁니다 자 이게 어려운 얘긴데요 띄엄띄 자 뭐가 띄엄띄엄 하냐면은 자 지금 원자의 주위를 전자가 돌고 있죠 어떤 궤도를 따라 돌고 있을 겁니다 같이 태양주위를 여기서는 수성이 돌고 있고 그다음 거리에선 지구가 돌는 것처럼 분명히 전자들도 어딘가 돌고 있을 겁니다

그런데 전자가 돌 수 있는 궤도는 띄엄띄엄하게 정해져 있다는 거고 그 사이사이에는 존재할 수 없다는 거예요. 이게 왜 이상한 얘기냐면 물론 태양계에서도 분명히 수성이 도는 궤도와 지구가 도는 궤도, 화성이 도는 궤도는 달라요. 하지만 지구가 그 궤도를 도는 것은 그냥 우연히 처음에 그런 조건에 놓였기 때문입니다. 그래서 지구로부터 화성을 갈 때에는 지구에서 출발한 우주선이 지구와 화성 사이를 날아가서 화성까지 가게 되죠. 날아가던 우주선이 중간에 포기해버리면 지구와 화성 사이 어딘가를 도는 하나의 위성같은 것이 되겠죠.

그러니까 사실 태양 주위의 모든 위치는 궤도가 될 수 있었으나 우연히도 지구는 여기 놓인 거고 우연히 화성에 놓인 거에요. 지구는 다른 위치에서 돌 수 있었다는 뜻이죠. 하지만 도의 원자모형은 전자들은 특정한 궤도에만 돌아야 한다고 이야기한 겁니다. 그런데 궤도에 따라서 에너지가 달라요. 저희가 역학적 에너지를 이야기할 수 있었죠. 역학적 에너지는 위치 에너지와 운동 에너지의 합입니다. 이와 같이 궤도 운동을 하는 경우에는 거리에 따라서 역학적 에너지가 달라집니다. 당연히 멀수록 역학적 에너지가 크죠. 예를 들어서 지구 표면이 가장 에너지가 낮은 곳이에요. 높아질수록 에너지가 높아지죠. 그러니까 사가가 높은 데 있으면 에너지가 높은 거예요.

인공위성이 높은데 있으면 에너지가 높은 겁니다. 이것을 빵으로 내려보내면 에너지가 이만큼 남기 때문에 그것이 속도로 바뀌게 되는 거죠. 그래서 궤도가 다르다는 얘기는 에너지가 다르다는 뜻이에요. 자 이제 이 사실들을 종합해서 보호의 두 번째 가정으로 가볼게요. 보호의 두 번째 가정은 바로 이 양자도약이라고 부르는 건데 자 정상 상태가 띄엄띄엄하게 있다고 했죠? 띄엄띄엄하게 있으니까 예를 들어 레벨1과 레벨2가 있다고 해볼게요. 레벨1에서 레벨2로 이동할 수도 있을 겁니다. 그런데 아까 이야기했듯이 전자는 이 궤도 이외엔 전자일 수가 없어요.

레벨 1과 2에는 존재할 수 있지만 1과 2 사이에는 존재할 수가 없다는 거예요. 그러면 1에서 2로 갈 때 어떻게 가야 할까요? 바로 도약을 내게 합니다. 즉 1에 있던 1에 있던 전자는 그 위치에서 사라져서 2에 나타나야 한다는 거죠. 정말 이거 진짜 말다 안 되는 얘기죠? 거꾸로 레벨 2에 있던 두 번째 레벨에 있던 전자가 첫 번째 레벨을 이용할 수 있을 텐데 이럴 때에도 마찬가지로 레벨 2에 있던 전자는 사라져서 레벨 1에 갑자기 뿅 하고 나타나야 한다는 거죠. 문제는 이렇게 도약이 일어날 때마다 궤도에 따라 에너지가 다르기 때문에 에너지 보존 법칙이 성립하기 위해서는 에너지 차에 해당하는 무언가가 들어오거나 나가야 합니다. 그렇지 않으면 에너지가 보존이 안 되겠죠. 그래서 보호는 이렇게 설명을 합니다.

레벨2에 있던 즉 바깥쪽에 있던 전자가 레벨1으로 올 때 에너지가 작아지기 때문에 그만큼의 에너지가 남는 거죠. 그 에너지를 바깥으로 내보내야 한다. 그것이 원자가 발산하는 빛이다. 전자 기타다 라고 이야기한 거죠. 또한 거꾸로 이번에는 빛이 외부에서 들어온다면 전자는 그 빛을 흡수할 수 있는데 그때에는 레벨1과 2 이 에너지 차이에 해당하는 정확히 그 차이에 해당하는 빛만 흡수할 수 있을 거다 라는 얘기입니다. 따라서 아까 제가 설명했던 불꽃 반응에서 나왔던 스펙트럼. 선 스펙트럼과 발산 스펙트럼. 그러니까 하나의 원자가 특정한 파장의 빛만 흡수 방출해야 하는 이유를 설명한 겁니다.

그리고 원자가 안정한 이유는 정상 상태로 설명한 것이죠. 이때 물론 보온은 플랑크가 이야기했던 광자의 에너지 공식을 씁니다. 이와 같이 앞에 나온 것들을 총종합하여 당시 원자에 대해서 알고 있었던 많은 미스터리를 읽어야 설명한 것이죠. 그런데 문제가 있죠? 어떤 문제가 있다면 도대체 이게 말이 됩니까? 도대체 전자가 왜 이때는 전자계약을 따르지 않고 도대체 전자는 도약을 한다는데 이 중간에 있을 수 없다는 얘기인데요. 도대체 이게 무슨 뜻이죠? 전자는 무슨 마술과 같이 뿅뿅 나타난다는 뜻인가요? 이런 문제는 나왔지만 어쨌든 당시 원자에 대한 문제를 많이 해결한 거죠. 실제 이후에 보호는 이 모형을 이용하여 단순히 설명할 수 없던 많은 것을 설명하기 시작합니다

그래서 물리학계는 둘러쪼개지죠. 보호가 오이 타고 믿는 사람과 그렇지 않다고 비난하는 사람으로 쪼개집니다. 물론 보호가 오이 타고 믿는 사람이 소수였고 나중에 이 소수가 물리학을 지배하게 됩니다. 어쨌든 지금 상황에서는 보호는 아마 물리학 역사상 가장 배상방식한 이론을 내는 사람이 되었어요. 과연 이게 괜찮을까요? 이렇게 전자가 이동할 때마다 빛이 뿅 나오거나 빛이 들어오면 전자는 뿅 이동한 상태인거죠. 정말 배상방식하지만 이제 우리는 양자역학의 핵심에 거의 다 도달했습니다. 자 이제 하나 남은 비스터리를 다음 시간에 이어서 이야기해보도록 하죠.

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파동이 갖는 중요한 특성 가운데 하나가 저희가 이걸 자세하게 얘기하진 않았어요. 바로 정상파라는 특성이 있습니다. 이 파동 가운데 하나 중요한 얘기가 여러분 그 기타줄에서 울리는 진동인데요. 기타줄 같은 거를 손으로 퉁치면은 이렇게 현이 진동하는 거 볼 수 있겠죠? 거기서 만들어지는 파동은 물리적으로 양쪽 끝이 부착되어 있기 때문에 양쪽 끝은 움직일 수가 없고요. 이 가운데만 진동할 수가 있습니다. 자 지금까지도 굉장히 많은 비스토리가 나왔고요. 진짜 물리하게 지은들었다는 표현이 왜 나왔는지 아마 이해하실 것 같아요. 계속 뭐가 바뀌고 막 태로리로 나오고 엉망진창 있잖아요.

이제 다 껴맞춰야 되는데 민자는 여전히 새로운 미스터리가 나온다는 게 문제입니다. 마지막 저희 또 다시 얘기는 물질의 이중성에 대한 이야기를 하려고요. 여기서는 또 다른 스타가 또 등장하는데 이번엔 드브로이라는 사람이에요. 드브로이는 이름을 보시면 알 수 있는데요. 드가 붙어있잖아요. 드란 것은 굉장히 높은 계급의 사람을 말하는 겁니다. 프랑스는 공작인데요. 공작이면 거의 왕 다음의 한 귀족이죠. 이 드브로이는 굉장히 금수적 집안이었어요. 이분이 얼마나 금수적인지 알 수 있냐면 1차 세계대전 때 당시 프랑스의 많은 젊은이들은 전선으로 끌어였습니다. 전쟁터로. 드브로이드 그때 물론 나이 때문에 군인이 되어야 했지만 근무지가 어디에 오냐면 에벨탑이었어요. 에벨탑에서 근무한 만큼 금수적이었는데 당시 드브로이의 형이 전기공학을 공부했다고 하더라고요. 형으로부터 양절카게 된 이야기를 들어요. 그래서 양절카게 당시에 있었던 그 물리학의 혁명이죠. 그걸 쭉 들으면서 너무 힘겹다. 공부하고 싶다. 그래서 공부를 시작합니다. 그리고서는 이런 새로운 이론을 향하고 계세요.

사실 드브로이의 물질파 이론이 나오게 되는 데에는 빛의 이중성이 중요한 역할을 합니다. 오랫동안 빛은 전자기파인 줄 알았지만 컴포터넷 실험을 통해서 이제 물량사들은 갑자기 생각을 합니다. 어 빛이 입자일 수도 있지 않을까? 이걸 우리가 빛의 이중성이라고 해요. 입자와 파동의 이중성이라는 뜻이죠. 자 이런 사실이 물량계에 쭉 퍼지자 이제는 보다 급진적인 생각이 나오게 되는 거죠. 드브로이는 당시에 이런 아주 많은 전자와 원자와 빛의 문제들을 보다가 혹시 우리는 지금까지 전자를 입자라고 굳게 믿고 있었는데 입자가 아니라 파동이 아닐까? 거꾸로 가는 거죠. 빛은 파동인자라는데 입자라고 온 거잖아요? 그러면 전자라고 해서 이게 꼭 입자라고만 생각할 필요가 있을까? 이런 정말 급진적인 생각이 있어요. 이걸 가지고 박사학위 논문을 씁니다.

그러니까 정말 어려웠겠죠. 당시 이 박사학의 논문을 심사했던 프랑스의 파리에 있었던 대학교수인데요. 대학교수들은 한숨을 내쉽니다. 아 이건 말도 안 되는 것 같은데 아무리 급진적인 제한이 가능한 시대라지만 그렇다고 함부로 짠 수 없어요. 왜냐하면 상대가 귀족 집안의 금수조 집안의 아들이잖아요. 지금 우리로 치면 무슨 대기업의 무슨 차남 이 정도의 느낌이랄까? 그래서 고민 끝에 이 논문을 자신들이 심사했었다고 판단하여 당시 최고의 과학자였던 아인슈타인에게 보냅니다. 베를린 대학 아인슈타인에게 보내서 아인슈타인이 읽어보고서 이상하다고 하면 이 사람도 그냥 박사학을 포기하지 않을까? 아마 그렇게 생각했을지 모르겠어요. 아인슈타인은 이 뷰부의 논문을 바꿔서 읽어본 다음에 답장을 보내죠.

이 논문이야말로 우리 모두가 기다리던 그런 논문이다. 그래서 유명한 표현을 씁니다. 드브로이는 자연의 베일을 벗어낸 역할을 했다는 멋진 표현을 쓰는데요. 바로 전자가 파동이 아닐까 하는 것이 당시에 있었던 많은 문제를 이거에 해결한다는 뜻이었어요. 자, 파동이 갖는 중요한 특성 가운데 하나가 저희가 이걸 자세하게 얘기하진 않았어요. 바로 정상파라는 특성이 있습니다. 파동 가운데 하나 중요한 얘가 여러분 기타줄에서 울리는 진동인데요. 기타줄 같은 거를 손으로 퉁치면은 이제 현이 진동하는 걸 볼 수 있겠죠. 거기서 만들어지는 파동은 물리적으로 양쪽 끝이 붙잡혀 있기 때문에 양쪽 끝은 움직일 수가 없고요 이 가운데만 진동할 수가 있습니다

하지만 이 파동의 특성상 이 가운데의 진동이 파장의 길이가 짧아지면 따라서 그리에 보시는 것처럼 점점점점 여러가지 짧은 형태의 파장들이 가능해요. 중요한 것은 뭐냐면 특정한 파장만 된다는 것이죠. 양 끝을 0으로 만들 수 있는 특별한 종류의 파장만 허용이 되지 그렇지 않은 파장은 이 안에 존재할 수가 없어요. 왜냐하면 끝이 묶여있잖아요. 그래서 우리가 이와 같이 움직이지 않고 정지해 있는 이런 정지 상태의 파동을 정상파라고 부릅니다. 정상파의 특성은 띄엄띄엄한 파장만 가능하다는 것이죠. 자 그 느낌이 오시죠. 띄엄띄엄.

그래서 전자는 지금 원자의 주위를 도울고 있습니다 그러니까 이것은 물론 아까 기타줄처럼 양쪽이 붙잡히는 건 아니지만 이 빙글빙글 도는 이 원 궤도에 묶여있는 거죠 일종의 묶여있는 줄의 진동이라고 볼 수 있어요 그렇다면 이 전자가 도는 궤도에 만약에 전자가 입자가 아니라 파동이라는 드브로이의 말이 맞다면 이 묶여있는 원형의 이 줄이 진동하는 거라고 볼 수 있겠죠 즉 이 전자의 궤도 문제는 전자의 정상파를 구하는 문제와 같다는 겁니다 만약 전자가 파동이라면 그렇다면 자연스럽게 이 정상파의 파장은 띄엄띄엄하게 나오게 되고요 띄엄띄엄한다는 것으로부터 우리가 에너지를 구현해서 띄엄띄엄한 에너지를 만들 수 있을 거고 그것이 바로 보호가 얘기했던 띄엄띄엄한 정상상태라는 겁니다

정말 아름다운 이론이고요. 제가 여기서 지금 수학을 쓰지 않아서 그런데요. 수식으로 이걸 잘 써보면 단 한 가지 가정을 통해서 그냥 정상파를 구하는 조건에서 보호가 구했던 에너지들을 착착착 구할 수 있고 이 에너지가 실제 원자가 되는 빛을 다 설명할 수 있다는 걸 알 수 있게 돼요. 그러니까 드브로이의 생각은 바로 저 보호의 모형이 대상망칙하지만 그것을 설명할 수 있는 기본적인 이론이 바로 전자가 파송이라는 걸 보여준 거죠. 아마도 여러분이 지금까지 제가 한 이야기들 중에서 계속 띄엄띄엄이라는 말이 여러 번 나왔다는 사실을 아실 거예요. 에너지도 띄엄띄엄하고 파장도 띄엄띄엄하고 스펙트럼에 선스펙트럼도 띄엄띄엄하고 정상 궤도 띄엄띄엄하다는 것을 라칭으로 퀀텀이라고 해요.

이걸 우리말로 번역하면 양자가 됩니다. 바로 여기서 양자역학이라는 이름이 나온 것이죠. 그래서 양자역학은 원래 이렇게 역사적으로는 띄엄띄엄한 에너지, 띄엄띄엄한 물리량들에서 나온 겁니다. 아무튼 이 드브로이의 놀라운 제안 때문에 보호의 그상방식한 이론이 설명이 되었어요. 놀라운 일이죠. 하지만 전자가 정말 파동일 수 있을까요? 드브로이의 이론이 나오고서 사람들이 즉각적으로 시험에 뛰어듭니다. 전자가 정말 파동이라면 파동이 보여주는 전형적인 실험을 할 수 있을 텐데요. 바로 이 논문이 파동성, 전자의 평소성을 보여주는 실험입니다. 사실 이 실험이 성공적으로 진행되었기 때문에 지금 전자가 파동이라는 사실을 알고 있고요. 이 실험을 했던 레이비스과 점원은 노벨 물리학상각이죠.

자 이 실험에서는 저희가 설명을 자세하게 하지 않았어요. 저희가 파동 실험을 얘기할 때 이중수리 실험은 얘기한 적이 있죠. 이건 사실 단일수리 실험이라고 할 수 있을 텐데 해저 실험이라고 하는 겁니다. 자세한 얘기는 할 수 없지만 어쨌든 이 그림을 딱 보시면 전형적인 그 해저 무늬가 보이거든요. 동심원들이 보이잖아요. 전자총을 쐈는데 전자가 만들어내는 패턴이 파동만이 보여줄 수 있는 이런 해저 패턴을 보여준 겁니다. 이 실험은 움직일 수 없는 증거예요. 즉 전자는 파동이라는 얘기죠. 드디어 이제 물량자들은 멘붕에 빠집니다. 파동인 줄 알았던 빛이 입자인 것 같고

입자인 거를 한 번도 의심해 본 적이 없는 정말 전자는 알갱이라고 생각했지 사람들이 이게 파동이라는 게 무슨 뜻인지 이해할 수 없을 것 같은데요 그런 전자가 파동이어야 한다는 알겠는 거죠 이게 괜찮을까요? 괜찮지 않을 것 같은데 저희가 이중소잇 시장할 때도 이야기했지만 파동은 절대로 그 입자가 같을 수가 없어요 그림처럼 이중소잇을 지나간 파동은 여러 개의 줄무늬를 만들어냅니다 하지만 입자는 이중소잇을 통과했을 때 두 개의 줄을 만들게 되죠 도대체 무슨 수로 입자들이 저렇게 여러 개의 줄무늬를 만들 수가 있을까요 그러니까 빛이 입자라는 건 참 이야기가 어려워요 뿐만 아니라 전자가 파동이라는 것은 정말 더더욱 이상한데요 자 그게 왜 이상한지 제가 선정을 해볼게요

전자가 파동이라는 뜻은 이중 슬릿을 놓고 전자를 쏘면 전자통을 쏘면 저와 같이 여러 개의 줄무늬가 나올 거라는 뜻입니다 이게 파동의 특성이잖아요 자 그런데 이게 과연 가능할까? 이게 가능하지 않은 여러 가지 이유들이 있어요 일단 파동과 입자는 완전히 다른 겁니다 입자의 가장 중요한 특성은 위치를 갖는다는 거죠 예를 들어서 사과가 있다고 생각해보세요 사과는 위치가 있습니다 위치가 없는 입자는 없어요 여러분도 입자의 일종인데요 여러분도 같은 입자도 위치가 있어야 되잖아요 하지만 파동은 위치가 없어요

제가 파동을 설명할 때 한 점으로부터 사방으로 퍼져가는 그런 파동을 소개한 적이 있었어요. 예를 들어 지금 제가 말을 하고 있다면 소리가 파동이잖아요. 제가 만드는 이 소리가 어디에 있나요? 제가 소리라고 해볼게요. 소리. 이 소리는 어디에 있나요? 이상한 질문이죠. 어디에나 있어요. 어디에나 있으니까 제가 이야기를 할 때 제 주변에 있는 모든 사람이 제 말을 들을 수가 있습니다. 즉 저를 중심으로 해서 공기의 진동이 이 주변의 전체의 공기를 다 진동시키기 때문에 소리는 전 공간에 퍼져 있어요. 그러니까 소리에 대해서 이야기할 때에는 위치를 특정하기는 어렵고 어디에나 있다라고 답을 해야 합니다.

자 이제 소리와 같은 파동이 이중 슬릿을 지날 때 어떤 일이 벌어지는지 상상해봅시다. 자 지금 보실 것처럼 파동은 어디에나 있지만 이중 슬릿을 지나는 순간에는 그 슬릿이 있는 구멍에만 파동이 있게 되죠. 그래서 그 슬릿 너머에는 그 구멍을 통과한 파동만 지나갈 수가 있어요. 요 두 개의 구멍을 자세히 보시면 파동은 두 개의 구멍에 각각 동시에 존재한다고 볼 수가 있습니다. 왜냐하면 파동은 원래가 전 공간에 동시에 있는 거잖아요. 그런데 지금은 두 개의 구멍을 들었으니까 두 개의 구멍에만 동시에 있는 거죠. 자 이제 만약에 전자가 전자가

파동이라면 원래 전자는 입자였잖아요 그럼 입자인 전자가 파동같이 행동한다는 얘기잖아요 입자인 전자를 하나를 쌓았는데 파동과 같이 행동할 수 있다는 뜻은 두 개의 구멍을 동시에 지나갈 수 있어야 한다는 뜻입니다 이건 되게 이상하죠? 아니 전자는 하나인데 어떻게 두 개의 구멍을 동시에 지나죠? 즉 입자면서 파동일 수 있다는 뜻은 하나의 전자가 입자면서 파동이니까 파동처럼 동시에 두 개의 구멍을 지나갈 수 있어야 한다는 거죠 일단 제가 바로 말씀드리면요 실제 전자는 두 개의 구멍을 동시에 지납니다

이건 실제 물의학 교과서에서 쓰는 표현이에요 하나의 전자는 두 개의 구멍을 동시에 지난다 멘붕의 끝판왕이죠 그렇다면 아마 여러분들 저랑 같이 물질을 공부했으니까 물질하는 사람들은 이렇게 질문을 해야 돼요 정말 전자가 동시에 두 개의 구멍을 지난다고? 확인해 보시고 확인해 본다는 자세가 중요하죠 즉 전자가 두 개의 구멍을 지날 때쯤 사진기로 사진을 찍어온다는 얘기에요 사진기로 사진을 찍으면 이렇게 딱 두 개의 전자가 고유한다는 얘기입니다 하지만 이건 문제가 심각한데요

전자를 하나에 쌌는데 사진을 찍었는데 중간에서는 전자가 두 개가 된 거잖아요. 이러면 안 됩니다. 안 되는 이유. 일단 전자가 하나였다가 두 개가 된 거니까 전자가 두 개가 됐거나 반으로 쪼개진 거죠. 전자는 쪼개어지지 않는 최소의 기본 입자예요. 전자의 정의에 위배됩니다. 안 되죠. 그럼 전자가 두 개가 됐을까? 전자가 두 개가 되면 일단 질량 보존법칙 위배고요. 에너지 보존법칙 위배고요. 여러분이 알고 있는 모든 보존법칙을 다 위배하게 됩니다. 그럼 어떻게 될까? 실제로 사진을 찍어보면 이건 다행이라고 할 수 있을 텐데 두 개가 나오진 않아요. 왜냐하면 하나의 전자를 샀잖아요. 전자는 한 나만 나옵니다. 오른쪽 또는 왼쪽 한 군데에만 나와요.

그럼 여러분들이 금방 저한테 이의를 제기하겠죠. 아니 전자는 두 개의 구멍을 동시에 지난다네요. 자 지금처럼 전자를 보면서 전자가 어느 구멍을 지났는지를 보면서 실험을 하면은 그때 전자는 오른쪽 또는 왼쪽을 지납니다. 하지만 문제는 없어요. 왜냐하면 이때에는 스크린에 두 개의 줄만 나오거든요. 문제는 없죠. 오른쪽으로 한 건 오른쪽 줄을 만들고 왼쪽으로 한 건 왼쪽 줄을 만들어요. 아니 아까는 간섭했기 때문에 파동이기 때문에 여러 개의 줄이 나온다고 그러지 않았나요? 아까는 여러 개의 줄이 나온다고 한 적도 있었는데요. 그때는 보지 않았잖아요.

즉 전자가 어느 구멍을 통과하는지를 보면서 실험을 하면 두 개의 줄이 나오고요. 보지 않으면서 실험을 하면 여러 개의 줄이 나옵니다. 이렇게 전자는 이자이면서 동시에 파손인 것이죠. 자 이제 여러분이 인내력이 한계에 더 전했다면 이게 말이 됩니까? 자 이제 우리에게는 양자협이 필요한 시점이 된 거예요. 자 이제 다음 시간에는 저희가 다음 주차에는 드디어 지금까지 이야기한 이 모든 진짜 말다 안 되는 걸 다 모아서 하나로 정리할 필요가 있는데요. 그것이 바로 양자협입니다. 그걸 다음 시간에 이야기할 거고요. 오늘은 저희는 빛이

파동인 줄 아는데 입자다. 두 번째, 원자가 입자인 줄 아는데 파동인 줄 아니다. 그리고 이 과정에서 원자가 무엇인지 보호가 모형을 내놨다는 사실을 이야기했어요. 하지만 보호의 원자 모형은 정말 교상에서 정상 상태를 가정해야 되고 양도약이 있다고 이야기해줍니다. 자, 이 모든 것들을 다 껴짜서 서로 모순이 없는 체계를 만들 수 있으니까 바로 그것이 양도약학이고 바로 다음 시간에 배울 내용입니다. 오늘 아주 어려운 내용이었을 수 있는데요. 다시 한번 보면서 다시 한번 잘 생각해 보시기 바랍니다. 수고하셨습니다.