[문화뉴스 MHN 권성준기자] 대부분의 사람들에게 천재의 이미지를 묻는다면 거의 공통적으로 한 인물이 거론된다. 그 인물은 바로 인류 역사상 최고의 천재 중 한 명이라 인정받는 물리학자 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)이다.

아인슈타인은 1921년 '이론 물리학에 대한 기여와 광전 효과에 대한 발견'이라는 공로를 인정받아 노벨 물리학상을 수상하였다. 아인슈타인의 업적으로 널리 알려진 상대성이론으로는 노벨상을 받지 않았다.

1905년 아인슈타인은 '광전 효과', '브라운 운동', '특수 상대성 이론'으로 세 편의 논문을 작성했으며, 이후 각각의 논문이 물리학의 세부 학문을 만드는데 큰 기여를 하여 '기적의 해'라고도 불린다.

그렇다면 이 중 아인슈타인이 노벨상을 받게 해 준 '광전 효과'와 '광양자 가설'이란 무엇일까?

광전 효과란 특정 파장 이상의 빛을 금속에 쪼아주면 금속 표면에서 전자가 튀어나와 전류가 흐르는 현상으로, 1887년 물리학자 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857~1894)가 발견하였다.

당시에는 영의 이중 슬릿 실험과 맥스웰 방정식의 이론적인 계산을 통해 빛이 파동임이 밝혀진 상태였다. 그러나 헤르츠의 발견은 빛이 파동이라면 설명이 되지 않는 현상이었다.

빛이 파동이라면 파장에 관계없이 금속에 계속해서 쪼아주면 금속은 에너지를 받아 전자를 방출해야 된다. 하지만 광전 효과 실험에서는 빛을 쪼아주는 시간, 세기에 관계없이 특정 파장보다 짧은 파장의 빛은 전부 광전 효과를 일으키는 현상을 나타내었다.

아인슈타인은 이 현상을 설명하기 위해 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Planck, 1858~1947)가 제안하였던 광양자 가설을 도입해 빛이 입자라는 것을 제시하면서 설명했다.

플랑크의 광양자 가설은 빛이 특정한 에너지를 가지는 파동이라는 가설이며 아인슈타인은 이를 파장이 짧은 빛은 높은 에너지를 가지고 있는 입자이기 때문에 금속에서 전자를 뽑아낼 수 있다고 주장하였다. 

이는 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1643~1727) 이후 사장되었던 빛이 입자라는 주장에 무게를 실어주게 되었고 이후 실험에 의해 사실임이 밝혀졌다.

이에 따라 빛은 파동성과 입자성을 모두 가진다는 것이 인정되었고 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie, 1892~1987) 공작을 통해 전자와 같은 입자도 이중성을 지닌다는 것이 밝혀졌다.

아울러 이러한 사실들은 '양자역학'이 탄생한 계기가 되었다.

하지만 아인슈타인은 양자역학을 인정하지 않고 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg, 1901~1976)의 불확정성 원리에 반대해 닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962)와 5차 솔베이 회의에서 논쟁을 벌이기도 하였다. 결국 불확정성 원리가 맞고 아인슈타인이 틀렸음이 밝혀졌다.

한편 현재는 광전 효과를 이용해 태양광 발전을 만들고 영상과 음향이 일치하는 장비에 사용하는 등 첨단 장비에 종종 이용하고 있다.

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빛의 입자성에 대한 결정적인 증거
양자역학의 발전에 영향
현재는 태양광 발전, 영상과 음향이 일치하는 장비 사용 등 첨단 장비에 종종 이용