[문화뉴스 MHN 권성준] 역사상 가장 쉬운 노벨상 업적으로 불리는 물질파는 대한민국에서 고등학교 학생도 그 개념을 이해한다면 쉽게 풀 수 있을 정도로 쉬운 난이도를 자랑한다. 과연 물질파란 무엇이며 왜 물리학계에서 가장 영예로운 상인 노벨 물리학상을 받았는지 알아보도록 한다.

물질파의 개념은 1924년 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie, 1892~1987) 공작에 의해 제안되었다. 당시는 양자역학이 태동하던 시기로 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)에 의해 빛이 입자와 파동의 성질을 가짐이 밝혀졌고 물질파는 빛뿐만이 아니라 전자와 같은 물질들도 파동의 성질을 가진다는 주장이다.

드 브로이가 박사학위 논문으로 물질파를 제안하였을 당시에도 물질이 파동이라는 주장은 쉽게 받아들여지지 못해 논문 통과 심사도 어려워했다. 다행(?)이도 드 브로이가 프랑스의 공작 가문이었기 때문에 심사자들은 논문을 쉽게 떨어트리지 못하고 아인슈타인에게 조언을 구했다.

아인슈타인은 드 브로이의 논문을 읽자 "물리학의 커다란 베일을 걷어냈다"라며 극찬을 하였고 아인슈타인의 지지를 얻어 논문은 통과할 수 있게 되었다. 이후 1929년 드 브로이는 이 논문을 통해 노벨 물리학상을 수상하게 되었다.

물질이 파동이라는 개념이 쉽고 간결했음에도 불구하고 왜 아인슈타인의 극찬을 받으며 노벨상까지 수상할 수 있었을까? 그 답을 찾기 위해 빛의 이중성부터 말하고자 한다.

빛이 입자인지 파동인지에 대한 논의는 고전 물리학이 완성되던 17세기 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)에 의해서 시작되었다. 그는 빛이 퍼져나가지 않고 직진하는 성질을 가지는 것을 보이며 빛이 입자임을 주장하였다.

빛을 프리즘에 통과시키면 여러 색으로 분해되는데 뉴턴은 이 중 한 색의 빛을 다시 프리즘에 통과시켜 더 이상 분해되지 않음을 알아내었다. 이를 통해 뉴턴은 빛이 특정한 색을 가지는 입자의 모임이라 주장하였고 뉴턴의 명성으로 인해 오랜 시간 뉴턴의 주장이 받아들여졌다.

뉴턴과 같은 시기 크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens, 1629~1695)는 빛이 교차할 때 서로 충돌해 산란되지 않고 그냥 투과하는 성질을 들어 빛이 파동임을 주장하였다. 또한 파동은 매질을 가져야 한다는 문제를 해결하기 위해 에테르의 개념을 도입하였으나 그의 주장은 널리 받아들여지지 못했다.

그러나 빛의 입자설은 영국의 과학자 토마스 영(Thomas Young, 1773~1829)에 의해 무너지게 되었다. 영은 얇은 틈을 2개를 낸 판에 빛을 쏘아주어 빛이 서로 간섭을 하여 생기는 간섭무늬를 관찰하였다.

이는 빛이 파장이라는 주장을 확실하게 만들었으며 이후 제임스 맥스웰(James Maxwell, 1831~1879)이 빛이 파동 방정식을 따름을 이론적으로 보임으로서 빛은 파동으로 결론이 나는 것으로 보였다.

그러나 1905년 아인슈타인이 광전효과를 설명하기 위해 플랑크의 양자설을 도입하여 광양자설을 만들어 빛이 입자임을 주장하였고 이후 콤프턴 산란 등의 실험으로 아인슈타인의 주장이 뒷받침되면서 빛은 파동의 성질과 입자의 성질을 둘 다 가진다는 결론이 나오게 되었다.

이는 물리학계에서 있어서 엄청난 변화를 가져왔다. 특히 드 브로이에게 많은 영감을 주었으며 결국 드 브로이는 특수 상대성이론과 광양자설을 혼합해 물질도 파동의 성질을 가질 수 있음을 제안하였고 1927년 진행된 데이비슨-거머의 니켈 결정에 의한 전자 산란 실험에 의해 입증되었다.

드 브로이의 물질파는 보어의 원자모형과 함께 양자역학 탄생의 기초가 되었다. 특히 물질파는 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger, 1887~1961)에게 영향을 끼쳐 1927년 양자역학을 기술하는 방정식인 '슈뢰딩거 방정식'의 등장에 단초가 되었다.

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[MHN 과학] 역사상 가장 쉬운 노벨상? 1929 노벨 물리학상: 물질파

프랑스의 물리학자 루이 드 브로이 공작의 박사학위 논문
양자역학과 슈뢰딩거 방정식의 탄생에 결정적인 역할