“제로존 이론”(Ⅰ): 플랑크 상수 = 1의 공준(公準)(나)

 

 

 

 

“제로존 이론”(Ⅰ): 플랑크 상수 = 1의 공준(公準)(나)

 

 

‘빛의 파동설’

   17세기에 네덜란드의 호이겐스는 '빛은 에테르(aether)라는 매질을 통해 전달되는 파동'이라는 ‘파동설’을 주장하면서 빛의 주된 물리적 성질인 반사와 굴절 현상을 설명한다. 그는 ‘편광(偏光)’이란 광학적 특성을 발견해낸 최초의 과학자다.

 

   그와 같은 시대, 물리학자이던 영국의 뉴턴(Isaac Newton)은 빛이 알갱이들의 흐름일까? 아니면 우주공간에 널려져 있는 에테르 속의 한 파동일까? 빛의 이중성에 많이 고민을 한 바 있고, 나중엔 빛의 알갱이 쪽으로 그의 생각을 돌리게 된다. 그의 주장에 따르는 과학자들도 많이 있었다. 하지만 빛의 파동설이 주류를 이루면서 과학사는 이어지고 있었다.

 

   토머스 영(Thomas Young)은 1807년에 실시한 '빛의 간섭'이란 실험을 통하여, '빛 = 파동' 이라는 등식을 내놓았다. ‘빛의 파동설’은 그때 과학계의 한 상식으로 받아들여지고 고정된 자리를 잡게 된다. 게다가 빛의 파동설은 1864년 영국의 맥스웰(James Clerk Maxwell)이 빛은 한 ‘전자기파’라고 하여 더욱 공고히 다져지는 듯했다.

 

‘광전효과’의 파문

   그러다가, 1887년 독일의 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)는 맥스웰이 주장했던 ‘전자기파’를 한 금속물질에 쪼여 ‘열복사’ 현상을 발견하면서 새롭게 빛의 물성이 문제가 된다. 전자기파 대신에, 빛을 한 금속에 쪼일 때도 전자기파의 경우처럼, 특이한 현상이 나타나는 것이 ‘광전 효과’이다. 금속에 빛을 쬐면 전자가 튀어나와 전기가 흐르는 현상들을 대표해서 일컫는 낱말이다.

빛의 파동설은, 금속에 전달되는 빛 에너지의 세기에 따라 전자들이 비례하여 더 많이 튀어져 나와야 한다. 그런데 진동수가 낮은 적외선은 아무리 많이 쬐어도 전자가 튀어나오지 않았다. 그와는 반대로, 진동수가 높은 자외선은 아무리 적게 쬐어도 전자가 튀어나온다.

 

   이런 괴이쩍던 현상을 말끔히 정리한 것은 아인슈타인이 내놓은 한 가설이다. 빛이 수많은 낱개들이 모여서 된 것이란 주장이었다. 아인슈타인은 그의 가설로 빛의 파동설이 설명하지 못하던 광전 효과를 깨끗하게 설명할 수 있었으며, 이 공로로 1921년 노벨상을 받았다. 그렇다고 빛의 파동설이 틀린 것은 아니다. 빛의 회절이나 간섭은 입자설로는 설명되지 않는다. 양자역학에 따르면 빛은 놀랍게도 파동 그리고 입자의 성질(이중성)을 모두 가지고 있다고 한다.

 

“물질파의 가설”

   1897년, 영국 J.J. 톰슨은 전자를 발견했고, 뒤이어 플랑크는 1900년에 양자역학에 관한 첫 논문을 발표하면서, 과학의 혁명이 시작된 것이다. 톰슨은 원자의 한 모양새를 그려놓는다. 원자의 처음 모델은 톰슨보다 1 년 앞선, 1903년 5월 도쿄 대학에서 열린 도쿄수학물리학회에서 나가오카 한타로(長岡半太郞, 1865-1950)가 ‘토성 원자 모형’을 발표한 것이 처음으로 알려진다. 하지만, 그가 내놓은 첫 원자모델은  원자의 가장 중요한 음양의 대칭성(게이지론)에 문제가 있어 그의 원자모델에 역학적인 불안전성이 불거졌고, 결국 빛을 보지 못하게 된다. 톰슨의 전자 그리고 플랑크의 양자역학, 이 두 사건들은 빛의 성질을 한 번 더 살펴보게 했다.

 

   그 후인, 1924년, 드브로이는 느닷없이 전자가 파동의 성질을 띨 것이란 한 ‘물질파의 가설’을 내놓게 된다. 이후부터 ‘빛의 파동설’은 도마 위에 올랐다. 우리가 알기론, 전자는 물질을 이루는 한 알갱이임은 하늘이 두 쪽 나도 분명하다. 게다가 전자는 낱알의 기본인 일정한 질량도 가지고 있다.

 

   ‘빛의 파동설’에 따라 빛은 연속적인 성질을 보여준다. 그와는 반대로, 전자는 낱 알갱이이므로 도저히 연속적일 수 없는 불연속성을 나타내야 한다. 하지만 전자도 빛처럼, 회절(回折)이나 간섭(干涉)을 받게 된다는 사실이 한 실험으로 증명된다(그림). 전자는 말할 것도 없고, 빛의 확고한 파동설도 그런 사실이 밝혀짐에 따라 혼돈에 빠져든다.

 

여기서, 눈독을 들여 빛이나 전자를 살펴보면, 스스로 질서를 바로잡아 가는 자연현상의 오묘한 이치를 깨닭게 된다. 물질의 한 알갱이일지라도 운동 속도가 빠르면 이중성의 성질을 보인다는 사실이다. 거시세계냐 아니면, 미시세계냐의 구분은 바로 물질이 움직일 속도가 그 잣대이다. 알갱이가 크다면, 우린 결코 빛의 속도로 그것을 움직일 수 없게 된다.

 

   드브로이는 전자의 자리가 흔들림을 기화로, ‘물질파(物質波, material wave)'란 새로운 개념을 주창하게 된다. 닐스 보어 모델의 원자모양새에서 궤도전자들이 회전할 궤도의 길이는 일정한 파동의 파장 길이에 정확히 정수 배가 된다. ’빛의 파동설‘처럼, ’물질의 파동설‘도 ’파동역학‘이란 새로운 학문에 보태어진다. 그로부터 2년 후인 1926년, 슈뢰딩거(Schrodinger)의 손을 거처 양자역학의 길이 열리게 된다

 

광자의 출현

   막스 프랑크가 양자론을 들고 나오면서, 드브로이의 물질파 개념은 양자역학의 기둥 역할을 하게 되고, 새롭게 우리의 호기심을 자극했다. 빛을 불연속으로 본다면, 그것을 한 알갱이로 갈라놓을 수도 있다는 얘기다. 여기에 물리학의 고민이 담겨져 있었다. 빛의 이중성을 어떻게 갈라놓을 것이냐가 그 핵심이었다.

 

   막스 플랑크는 빛의 이중성을 명쾌하게 가르는 기준을 제안했다. 그 단위를 우린 빛의 낱개란 뜻으로 ‘광양자(光量子)’ 또는 ‘광자(光子)’란 낱말을 쓴다. 대개는 ‘광자’라 쓴다. 두 낱말의 뉘앙스엔 큰 차이가 있다. 우리낱말의 끝에 ―자(子)를 붙인 것들이 많다. 子는 아주 작은 것을 뜻한다. 예컨대, 전자, 양성자, 중성자, 중성미자, 광자, 진동자(아주 작은 진동체)…헤아리기 어려울 정도다.

 

   광자는 빛의 한 낱개이다. 반드시, 움직여야 광자의 구실을 하게 된다. 빛이 멈추면 찰나에 에너지로 바뀌므로 더 이상 광자의 물성은 없어지고 대신 에너지로 바뀌면서 우주 안의 엔트로피를 높인다(엔트로피의 증가 법칙). 광자는 운동에너지를 가지므로 진동이란 메커니즘으로 이동한다. 광자일 때, 대표적인 진동자(振動子)란 공준의 직위를 갖는다. 어느 찰나에선 물질의 가장 작은 알갱이란 정의이다. 플랑크 상수는 그 진동자를 가늠할 기준인 최소의 작용량(作用量) 단위이기도 하다.

 

‘제로존 이론’은 세상만물의 양이나 현상들을 광자의 한 조합 덩어리로 여기고 광자의 낱개를 하나하나 세어서 디지털 개념인 수치로 변환시킨 이론이다. 아쉽게도, 제로존 이론은 아직 국내 학계에서 공식적으로 인정을 못 받고 있다. 그 이론을 입증할 일부 관계식들도 베일 속에 싸여져있다. (엥 ~ 눈치 빠르시다  어찌 이 사실을 알꼬?  주: 제로존 관련자) 

 

필자는 그 이론을 공개한 언론사의 자료를 여기에 소개하면서 조심스럽게 사이사이에 ※ <필자의 주>를 달고 글에 없는 내용을 덧붙여 독자의 이해를 도우려한다. 앞으로 계속해서 제로존 이론의 향배를 지켜보면서 글을 이어가려한다(...다음에 계속 이어짐).

 

 

 

<그림출처> nobelprize.org , hyperphysics 

 

그림 왼쪽: 위는 전자총(필라멘트에 전류를 통하면 전자들이 튀어나오게 하는 장치).

- 그 밑의 +54볼트는 튀어나온 전자들을 빠르게 밑으로 움직이게 가속시키는 장치

- ↓ 방향으로 전자들이 내려옴. 니켈금속 조각에 전자들이 부딪쳐 50도로 반사됨.

- 밑바닥의 연도는 1924년 드브로이의 물질파의 가설, 1927년 장치를 만들고 실험.

그림 오른쪽: 위는 드브로이가 발견한 수식임

       λ: 파장, h; 플랑크 상수, mv: 운동량(전자질량 x 전자의 운동 속도)

- 밑은 실험 결과를 셈한 공식임. 간섭현상으로 파장의 길이가 줄어드는 것을 보여줌.

- 니켈금속의 원자들이 서로 결합된 매 격자 사이의 간격이 2.15Å(옹스트롬; 10^-10m)로 확    인됨.

- 밑쪽 그림은 빛의 파동현상이 니켈금속에서 니켈 원자들이 서로 2.15Å 간격으로 얽혀져     있는 모양새 사이에서 일어나는 광학현상을 그려내 보여줌. 

/주승환     2007/09/30

[출처] “제로존 이론”(Ⅰ): 플랑크 상수 = 1의 공준(公準)(가,나)|작성자 제로존

 

 

제로존 이론의 핵심은 다음과 같다.

 

        모든것은 하나이고 하나는 전부다. 모든것은 다르지만 결코 분리되어 있지 않다

        ( Everything is oneness, oneness is everything. Different but not Seperated ! )

 참고