[박종진의 과학 이약기] 입자와 파동

박종진

빛은 입자이면서 파동인 이중성을 갖는다고 한다. 참 어려운 얘기고 이해하기 힘든 말이다. 우리 실생활과는 아무런 상관이 없어서 설령 모른다고 해도 사는 데 하등 문제 될 것이 없다. 하지만 백여 년 전에 이런 논쟁 때문에 생겨난 양자역학이 21세기 첨단 과학의 기초가 되어 TV, 컴퓨터, 휴대전화에 이르기까지 응용되고 있다.  
 
우선 입자란 무엇이고 또 파동은 어떤 것인지 살펴보기로 하자. 투수가 공을 던지면 포물선을 그리며 날아가는 야구공이 바로 입자다. 세상 모든 물체의 움직임은 뉴턴에서 시작하여 아인슈타인으로 내려오는 고전역학을 이용해서 그 과거의 행적부터 미래의 일까지 예측할 수 있다. 그러므로 십 년 전에 쏘아 올린 우주선이 지금부터 5년 후에 어디쯤 가고 있을지 정확하게 알 수 있다.  
 
그렇다면 파동이란 무엇인가? 쉬운 예를 들어서 잔잔한 호수에 돌을 던지면 돌이 떨어진 곳에서부터 동심원이 퍼져나가는 것을 볼 수 있다. 이것이 바로 파동이다. 물 자체가 중심으로부터 바깥으로 움직이는 것이 아니라 출렁임이 퍼져나가는 것이다. 그러므로 우리 눈에 보이는 모든 물체의 움직임이 입자이고, 반면에 빛이나 소리는 파동이다.
 
뉴턴은 만유인력을 발견하기도 했지만, 프리즘을 이용해서 빛을 연구하기도 했는데 그는 빛이 입자라고 했다. 그런데 토머스 영이 이중슬릿 실험을 통해서 빛이 파동이라는 사실을 알아낸 후 제임스 클러크 맥스웰이 빛도 전자기파 일부분임을 밝히자 빛은 파동이라는 것이 대세가 되는 듯했다. 그러다 아인슈타인이 광전효과로 노벨상을 받자 빛은 입자이면서 동시에 파동의 성질도 갖는다는 절충안이 나왔고 그것이 지금까지 정설로 굳어졌다.
 

원자의 구조를 추측할 때 중앙에 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 공전한다고 생각했다. 우리에게 익숙한 태양계의 모습이어서 받아들이기 쉬웠다. 그런데 전자는 원자의 주위를 입자로 공전한다기보다 핵 주위에 마치 구름처럼 퍼져서 파동처럼 행동한다고 한다. 그래서 전자의 위치는 어떤 특정한 곳이 아니라 더 많은 전자가 모여 있어서 구름이 짙은 곳으로 정의된다. 지금 이 글을 읽고 도무지 이해가 되지 않는다면 아주 정상이라고 금세기 최고의 석학 리처드 파인만이 말했다.
 
양자역학적 관점에서 보면 세상의 모든 물질은 입자와 파동의 성질을 함께 갖지만, 고전물리학에서는 입자와 파동이 분명하게 나뉜다. 하늘을 나는 야구공은 덩어리인 입자이고 빛과 소리는 파동이다. 그렇다면 무엇이 그 둘을 나누는 경계일까? 크기다. 쉬운 예를 들어서 우리 눈에 보이는 것 모두, 그리고 심지어는 분자 크기 정도 되는 것들은 입자라고 보면 무방하다.  
 
하지만 아원자 세계로 들어가서 원자핵 주위를 공전하는 전자 정도의 크기에 이르면 더는 입자라고 볼 수 없고 파동이라는 분류가 옳다. 파동인 전자는 야구공처럼 연속적으로 움직이지 않고 띄엄띄엄 일정한 궤도에 속한다. 게다가 이곳저곳 동시에 존재하기도 하고, 아주 먼 곳에 있는 다른 전자와 얽히기도 한다. 게다가 전자는 운동량을 알면 위치를 알 수 없고, 위치를 알면 운동량을 알 수 없다. 하이젠베르크는 불확정성의 원리로 이 사실을 설명하여 노벨상을 받았다. (작가)  
 

박종진