온도에 따라 방출하는 파장이 정해지는 흑체복사 이론을 설명하기 위해 등장
독일의 물리학자 막스 플랑크의 작은 시도로 양자역학 시작
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 양자역학은 전문가가 생각하는 인류 역사상 가장 위대한 물리학 이론으로 손꼽힌다. 양자역학은 에너지나 각운동량 같은 물리량들이 양자화 되어있다는 이론이다. 양자란 도대체 무엇일까? 그 답은 양자를 맨 처음 도입한 플랑크에게 있다.
양자론이 처음 등장하게 된 계기는 흑체복사 이론에서 시작한다.
흑체복사 이론은 19세기 말 독일에서 제철 공업이 발달하면서 대두되기 시작하였다. 당시 대장장이들은 철을 고온으로 만들 때 붉은색보다 파란색의 온도가 높다는 것을 경험적으로 알고 있었다.
이를 맨 처음 이론적으로 설명하고자 한 과학자는 독일의 물리학자 구스타프 키르히호프(Gustav Kirchhoff, 1824~1887)였다. 그는 표면에 닿는 모든 빛을 흡수하는 물체인 흑체를 제안하였고 이 흑체는 가지고 있는 열을 복사의 형태로 방출하며 이를 흑체복사 이론이라 불렀다.
1859년 키르히호프는 흑체복사 강도는 오직 온도와 빛의 파장만 관계가 있음을 알아내었고 20년 뒤 1879년 오스트리아의 물리학자 요제프 슈테판(Josef Stefan)이 실험을 통해 방출하는 에너지가 온도의 4제곱에 비례함을 발견하였다.
슈테판의 실험적인 발견을 물리학자 루드윅 볼츠만(Ludwig Boltzmann, 1844~1906)이 맥스웰 방정식을 통해 유도하면서 슈테판-볼츠만 법칙을 만들게 된다.
이후 독일의 물리학자 빌헬름 빈(Wilhelm Wien, 1864~1928)은 실험을 통해 흑체에서 방출되는 빛 중 가장 강하게 나오는 빛의 파장은 온도에 반비례함을 보였다. 오늘날에는 이를 빈의 변위법칙이라 부른다.
이렇게 순조롭게 연구가 진행되던 흑체복사는 1900년 존 레일리(John Rayleigh, 1842~1919)에 의해 큰 문제가 있음이 밝혀진다.
레일리는 에너지가 볼츠만 분포를 따른다고 보고 기존에 알려져 있던 물리학을 이용해 흑체복사의 평균 에너지를 계산하였다. 하지만 이 평균 에너지는 진동수가 커지면 에너지가 무한히 커져 실제 실험 결과와 맞지 않았다. 레일리는 이를 자외선 파탄이라고 불렀다.
실험 결과와 빈의 변위 법칙에 의하면 흑체복사 에너지는 특정 파장에서 최고점을 찍는 모양을 가져야 한다. 그래서 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Planck, 1858~1947)는 방출된 빛의 에너지가 진동수의 정수 배로 방출된다고 가정하였다.
이는 에너지가 마치 최소 단위를 가지는 덩어리 상태로 방출되는 것과 비슷하고 이를 플랑크의 양자가설이라고 부른다. 또한 이러한 덩어리를 양자라고 부르며 훗날 광자라는 개념의 확립에 기초가 된다.
플랑크는 양자가설을 통해 평균 에너지를 다시 계산하였고, 이는 실험 결과와 아주 잘 맞아떨어지는 모습을 보여주었다. 이후 연구에 의해 밝혀진 빛은 레일리가 가정했던 맥스웰-볼츠만 분포를 따르는 것이 아니라 보즈-아인슈타인 분포를 따른다는 것을 모르는 채 유도를 해냈다.
이후 플랑크의 양자가설에 영감을 받은 아인슈타인은 광양자 가설을 제안하여 광전효과를 설명하였고 그로 인해 당대에는 빛의 입자성과 파동성에 대한 논의가 다시 이루어졌다.
논쟁 끝에 결국 양자역학이라는 새로운 물리학이 등장하였으며 이는 20세기 이후 인류의 역사를 송두리째 바꿔놓아 버렸으며 이 시기를 흔히 물리학의 혁명이 일어났던 시대라고 부른다. 또한 플랑크는 양자에너지 발견에 대한 업적이 인정받아 1918년 노벨 물리학상을 수상한다.
한편 플랑크는 이러한 혁명에 대해 회의적인 반응을 보낸 것으로 알려졌다. 그는 자신의 발견에도 회의적이었으며 양자역학의 비결정론적인 해석에 대해서도 죽을 때까지 받아들이지 않았다고 한다.
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[MHN 과학] 고전의 종말, 현대 물리학의 시작 1918 노벨물리학상: 양자에너지
온도에 따라 방출하는 파장이 정해지는 흑체복사 이론을 설명하기 위해 등장
독일의 물리학자 막스 플랑크의 작은 시도로 양자역학 시작