광량자와 레이저

빛의 속성

우리가 사물을 알아보게 되는 직접적이고 중요한 과정은 사물로부터 나오는 빛을 눈으로 관측하는 것이다. 빛은 어떻게 우리의 눈으로 사물을 인식하게 하는 것일까? 빛은 어떠한 성질을 가지고 있을까? 이것은 아마 가장 오래된 자연에 대한 의문일 것이다.

물체나 다른 사람이 거기 있음을 알게 하고 내가 여기 있음을 알게 하는 이 빛이 없었다면 어떠할까? 빛이 비록 눈에 보이는 것이기는 하지만 이것이 물체를 알아보게 하는 매개체로서 역할을 하게 되므로 이 자체에 대해서 알기는 좀처럼 쉬운 일이 아니었다. 빛이 기본적으로 직진한다거나 속도가 매우 빠른 것 같다는 등의 성질들은 쉽게 알 수 있지만 이것이 모래알이나 공처럼 알갱이로 되어 있는가, 아니면 파도처럼 넘실대면서 진행하는 파동으로 되어 있는가 등의 기본적인 속성에 대한 질문에 답하기 위하여 많은 자연과학자, 철학자들이 고민하였다.

이 고민에 대한 답이 하나씩 제시될 때마다 자연계에 대한 이해가 새로워졌다. 이 빛은 그 빛만의 문제가 아니라 자연의 질서를 이루는 데 있어서 결정적인 것이 역할을 하는 것을 알 게 되었다. 바로 이 우주는 빛과 물체의 조화로 운행되는 것이다! 성경에 있듯이 이 빛이 우주를 만들 수도 있거니와 불경에 있듯이 빛은 물체로, 물체는 빛으로 바뀔 수도 있다. (色卽是空 空卽是色)

_ 파동

빛의 입자론과 파동론

뉴턴의 입자론: 빛은 입자의 흐름이다.

빛의 속성에 대한 뉴턴(I. Newton, 1642~1727)의 처음 생각은 빛이라는 작은 입자가 충만된 에테르라는 매질을 떨게 한다는 것이었다. 붉은 색은 긴 진동을, 푸른 빛은 짧은 진동을 한다는 비교적 입자성과 파동성을 같이 포함하는 이러한 이론을 주장하다가, 시간이 흐름에 따라 빛이 입자라는 입장으로 기울게 되었다. 일상생활에서 볼 수 있는 파동은 쉽게 퍼져 버리는 데 빛은 비교적 정확하게 직진한다는 사실이 파동성을 점점 멀리 하게 만들었던 것이다.

한편 비슷한 시기에 호이헨스(C. Huygens, 1629~1695)는 파동성을 주장했는 데 이로부터 굴절, 반사의 법칙을 검증할 수 있었고, 빛의 편광현상도 발견했다.

그러나 뉴턴의 권위 때문에 빛이 입자라는 학설은 거의 150년동안 흔들리지 않았다.

맥스웰 등의 파동론: 빛은 전기장과 자기장의 파동이다.

1800년대에 들어와서 빛이 파동일 수밖에 없는 새로운 현상들이 속속 관측되었다. 빛의 간섭, 회절, 물속에서의 빛의 속도 등에 대한 실험결과를 해석하기 위하여 빛은 파동일 수밖에 없는 것이다.

1860년대에 맥스웰(J. C. Maxwell, 1831~1879)이 빛은 전기장과 자기장이 교대로 출렁거린다는 것을 확인하고부터 빛에 대한 전모가 파악된 듯이 보였다. 즉 지금까지의 모든 실험결과는 빛을 파동으로 봤을 때 100% 설명된다.

아인슈타인의 광량자론: 빛은 에너지와 운동량을 갖는 입자의 성질도 가지고 있다.

20세기가 되기 전에 파동으로 설명 안되는 새로운 실험결과들이 발표되었다. 즉 물체가 가열될 때 내는 빛의 색분포(흑체복사)와 빛을 받은 금속이 방출하는 전자의 에너지 분포(광전효과)에 대한 실험은 빛에 대한 전혀 새로운 성질이었다.

독일의 플랑크(M. Planck, 1858~1947)는 물체가 내거나 받아들이는 빛의 에너지는 진동수에 비례하는 에너지 값의 배수이다는 제안을 하여 흑체복사에 대한 해석을 할 수 있었고, 또한 아인슈타인(A. Einstein, 1879~1955)은 과감하게 빛은 입자로서 바로 운동량과 에너지가 파장과 진동수에 의존한다는 제안을 하여 광전효과를 설명할 수 있었다. 비록 뉴턴의 단순한 입자설과는 거리가 멀지만 없어진지 50여년만에 부활되었다.

빛의 이중성: 빛은 파동과 입자의 성질을 다 가지고 있다.

도대체 빛은 입자인가, 파동인가? 이 논의는 일견 원점으로 돌아간 것처럼 보인다. 이 둘은 공존하기 곤란한 성질이기에 더 혼란스러울 수 있다. 그러나 입자로 해석해야 하는 명백한 증거도 충분하고, 파동으로 해석해야 하는 명백한 증거도 충분하다. 따라서 이 두 성질을 다 가지고 있다고 해야 하므로 파동과 입자가 공존할 수 있는 그림으로 다시 그려야 했다.

빛이 두 성질, 즉 파동과 입자의 성질을 가지고 있다면 전자나 구슬과 같이 입자로만 보았던 것도 마찬가지로 두 성질을 같이 가지고 있지 않을까하는 생각으로 드브로이의 물질파가 도입되었고, 이후 양자론의 토대가 되었다. 따라서 빛과 물질을 망라해서 자연의 구성요소 모두 이중성을 가진 것으로 볼 수 있게 되었다.

양자광학, 새로운 광학의 한 분야가 형성되었다.

한편 물질이 띄엄띄엄한 에너지 준위를 가지고 있고, 이들 준위를 넘나들 때 그에 상당하는 광량자를 방출하거나 흡수한다는 것이 양자역학과 양자장론을 포함하는 양자론의 중요한 내용으로 이로부터 물질과 빛이 상호작용하는 방식을 완전하게 설명할 수 있게 되었다. 이에 따라 레이저 등 새로운 형태의 빛을 인공적으로 만들 수 있게 되어 과거의 광학, 즉 기하광학과 파동광학에 양자광학이 시작되었다. 양자광학(quantum optics)은 물질이 방출하거나 흡수하는 빛을 그 물질의 양자상태와 관련하여 해석하는 것으로 발광다이오드, 레이저 등 새로운 형태의 광원을 만들거나 이를 이용하는 광학의 새로운 분야이다.

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