빛은 파동과 입자의 양면성을 지닌다고 들었는데 모든 빛은 같은 속성을 가지나요?
우리가 일상에서 매일 접하는 빛이라는 것의 실체가 무엇인가요? 촛불에서 나오는 빛, 랜턴에서 발생되는 빛, 가스레인지에서 나오는 빛, 태양 빛, 반딧불같은 생명체에서 발생하는 빛, 태초에 우주에서 발생한 빛, 거울 반사되는 빛등등 아주 다양한 종류의 빛이 있습니다. 이 빛은 파동과 입자라는 양면성을 지녔다고 하는데 모든 빛은 같은 속성을 지니나요?
빛이 입자라면 닫혀진 방안에서 전구를 소등했을 때 빛의 입자는 어디로 사라진건 인가요? 사라진게 아니라먼 질량 보존의 법칙에 따라 어딘가에 다른 형태의 에너지로 전환된 것인가요?
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
네, 모든 빛은 파동과 입자의 양면성을 지닌다는 것이 과학적으로 입증되어 있습니다. 이를 빛의 이중성(duality)이라고 합니다. 빛은 전자기파로서 파동의 성질을 가지며, 동시에 입자로서도 나타날 수 있습니다. 이 입자는 광자(photon)라고 불리며, 광전효과와 같은 현상에서 입증되었습니다. 이러한 빛의 이중성은 양자역학에서 중요한 개념 중 하나이며, 현재까지도 연구되고 있습니다.
안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.
빛의 이중성과 전자의 이중성은 물리학 발달에서 기념비적인 중요한 사건입니다. 이 사건을 계기로 원자 내부 세계에서 성립하는 양자역학이라는 새로운 자연법칙을 발견하게 됐고 그 결과로 오늘날 스마트폰, 컴퓨터, LED 텔레비전 ... 등 수많은 첨단과학기술문명이 가능하게 되었습니다.
1. 빛이 입자인지 파동인지에 대한 논란은 뉴턴시대부터 시작했어요. 17세기에 뉴턴이 입자라고 주장하고 1801년에 영이 이중슬릿 실험에서 빛의 간섭무늬를 확인하고 빛이 파동임을 확실하게 알게 되었고 19세기 중반에는 맥스웰이 이론적으로 예언한 전자기파에 빛도 속한다는 것을 알게 되고 빛은 전자기파라는 파동임을 알게 되었지요. 그런데 19세기 말 플랑크가 흑체 복사곡선을 표현하는 식을 유도하다가 빛이 입자일 수 도 있다는 광양자 가설에 도달하고 아인슈타인이 그 가설을 광전효과에 적용하여 성공적으로 광전효과를 설명함으로써 빛이 입자라는 증거가 되었고 바로 뒤에 컴프턴 산란은 빛과 전자의 충돌이 마치 두 당구공의 충돌과 똑같이 설명된다는 것으로부터 빛이 입자임이 증명되었지요. 광전효과로 아인슈타인이, 컴프턴 산란으로 컴프턴이 노벨 물리학상을 받았습니다. 그런데 파동인줄로 믿었던 빛이 입자라면 입자라고 믿었던 전자도 파동일수가 있지 않겠느냐고 프랑스의 드브로이가 제안을 했고 그 뒤에 데비슨과 저머 그리고 전자를 발견한 톰슨의 아들인 톰슨이 전자를 결정체에 보내서 간섭무늬를 관찰함으로써 전자가 파동이라는 증거를 확인했지요. 여기에 기여한 드브로이, 데비슨, 톰슨 모두 노벨 물리학상을 받았지요.
2. 빛이나 전자의 이중성은 원자 내부세계가 우리 주위와는 전혀 다르다는 것을 알려준 계기가 되었습니다. 알고 보니 원자 내부에 있는 존재들은 입자나 전자로 구분되는 세계가 아니었지요. 원자 내부에 존재하는 것은 무엇이나 경우에 따라서 입자로도 보이고 파동으로도 보이는 존재들입니다. 그래서 우리 주위 세상을 설명하는 뉴턴 역학으로는 원자 내부세상을 설명할 수가 없었지요.
3. 초끈 이론은 입자와 파동 이중성 문제와는 별개의 이론입니다.
안녕하세요. 이준엽 과학전문가입니다.
빛은 전자기파로서 파동성과 입자성을 모두 지니고 있습니다. 이론적으로 빛을 파동으로 설명하는 원리가 있지만, 다른 실험에서는 입자의 행동이 관찰되기도 합니다. 이런 이유로 빛은 파동입자 이론이라고도 불립니다.
촛불에서 나오는 빛, 랜턴에서 발생되는 빛, 가스레인지에서 나오는 빛, 태양 빛, 생명체에서 발생하는 빛, 우주에서 발생하는 빛 등 모든 빛은 전자기파로서 같은 속성을 지니고 있습니다. 하지만 이 속성들은 파장, 진폭, 주파수, 광도 등으로 구분되며, 이것이 빛의 색상, 밝기, 에너지, 강도 등을 결정합니다.
전구를 소등하면 빛의 입자는 닫힌 공간에서 사라집니다. 이것은 빛 입자가 에너지를 가지고 있으며, 전구에서 빛이 방출될 때 전기 에너지가 빛으로 변환되기 때문입니다. 닫힌 공간에서 빛은 다른 물체와 상호작용하지 않으므로 사라지게 됩니다. 이때 질량 보존의 법칙은 적용되지 않습니다.
안녕하세요. 김태헌 과학전문가입니다.
빛은 운동하지 않기 때문에,
빛이 운동하는 것이 아니라 우주(시공간)가 팽창하는 것이기 때문에,
빛의 질량은 0인 것이며, 에테르 같은 매질 없이도 운동(사방으로 전파)하는 것처럼 보이는 것입니다.
멀리 갈수록 파동의 진폭이 작아지는 것은 열역학 법칙(에너지 보존법칙)에 의한 현상입니다.
파원에서 발생한 에너지는 보존되어야 합니다.
즉 에너지의 총량은 '항상' 같아야 합니다.
파동을 원(circle)으로 설명하면,
원의 둘레가 작거나 크거나 에너지 총량은 같아야 합니다.
따라서 원(파동)의 둘레가 커질수록(멀리 퍼질수록) 진폭은 작아져야 에너지 총량은 보존될 수 있습니다.
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.네, 빛은 파동과 입자의 양면성을 지닙니다. 이러한 이유로 빛을 설명할 때, 파동성과 입자성 두 가지 모두를 고려해야 합니다. 이것은 양자역학이라는 물리 이론의 기초이기도 합니다.
빛이 입자라면, 전구를 소등했을 때 빛의 입자는 에너지 보존의 법칙에 따라 다른 형태의 에너지로 전환되거나 다른 물질과 상호작용하게 됩니다. 예를 들어, 빛의 입자(광자)가 물질과 충돌하면, 물질 내에서 열, 전기, 화학적 에너지 등의 다른 형태의 에너지로 전환됩니다.
또한, 닫힌 방 안에서 빛은 에너지를 운반하는 입자와 같이 행동하지만, 빛이 파동의 형태로 작용하는 것도 가능합니다. 이러한 파동성은 빛이 우리가 보는 것과 같은 전자기파 형태로 전파할 때 나타납니다. 파동성과 입자성을 모두 고려해야 하는 이유는, 어떤 상황에서는 파동성이 중요한 역할을 하고, 다른 상황에서는 입자성이 중요한 역할을 하기 때문입니다.
모든 빛은 파동과 입자의 양면성을 지니고 있습니다. 이를 빛의 이중성(duality)이라고 부릅니다. 일반적으로 우리가 매일 접하는 빛은 전자기파의 일종으로, 파동의 성질을 보이지만 특정한 상황에서 입자의 성질을 나타낼 수도 있습니다. 이를 광전효과(Photoelectric effect)라고 부릅니다.
빛이 입자일 경우, 닫힌 방에서 전구를 소등하면 빛 입자는 에너지를 잃어가면서 전파되어 희미해져가다가 사라집니다. 이때 빛의 질량이 어디론가 전환되는 것이 아니라, 빛 입자의 운동 에너지가 전자 등 다른 형태의 에너지로 전환되는 것입니다. 이러한 과정을 광전효과라고 부릅니다.
빛은 파동과 입자의 양면성을 지니며, 다양한 종류의 빛이 있습니다. 이러한 모든 빛이 같은 속성을 가지나요? 빛의 입자는 전구를 소등했을 때 어디로 사라지는 것인가요? 이에 대한 정확한 대답은 아직까지 알려진 바가 없습니다. 하지만, 빛은 전자기파의 형태로 전파되며, 닫혀진 공간에서 소멸하지 않고 에너지의 형태를 변화시키기 때문에 질량 보존의 법칙은 유지됩니다.
