빛이 파동인가, 입자인가 라는 문제는 과학의 역사를 통해서 가장 큰 논쟁의 대상이 되었던 것중 하나입니다.
빛이 입자라는 주장은 뉴턴에 의해 강력히 제기되었지요. 그는 빛이 입자라는 생각으로 색깔의 문제를 완전히 해결할 수 있었습니다.
그러나 19세기에 들어와 영국의 영(Young, 1773-1829)과 프랑스의 프레넬(Fresnel, 1788-1827)은 파동이 아니면 관찰될 수 없는 빛의 간섭(interference)현상을 발견했습니다. 그래서 빛을 주파수를 가진 파동으로 해석하게 되었지요.
그러나 빛이 파동이기 위해선 매질(특히 빛의 매질을 에테르라고 불렀습니다)이 있어야 했습니다. 이 에테르는 지구상엔 물론 우주 공간 및 빛이 통과하는 모든 곳에 존재해야만 했습니다. 왜냐하면 매질없는 파동이란 상상할 수조차 없는 것이었기 때문이지요.
19세기 말엽 마이켈슨과 몰리는 이 매질을 발견하기 위해 그 유명한 '마이켈슨-몰리의 실험'을 했지만 에테르는 오히려 존재하지 않는다는 결론이 나왔습니다.
그러다 1905년 아인슈타인이 빛은 포톤(photone)이라는 파동이자 동시에 입자라는 주장을 하게 되었던 것입니다.
빛은 '포톤'이라는 파동이자 동시에 입자이기 때문에 파동의 성질(회절, 간섭 등)과 입자의 성질(운동량, 직진성)이 동시에 나타납니다. 아인슈타인은 포톤이라는 입자 하나의 에너지 E=hν(h는 플랑크 상수 6.625×10-27ergㆍsec, ν는 진동수)이며 운동량라고 예측했습니다. 이는 1922년 콤프턴 효과(compton effect)로 사실임이 드러납니다.
한편 1924년 드브로이(de Broglie)는 빛이 파동이자 동시에 입자라는 입자-파동의 이중성을입자로 확장시켜 '모든 입자도 파동이자 동시에 입자'라는 주장을 하게 됩니다.
한편 빛이 직진한다는 말의 의미는 입자적 성격의 포톤과 결부해서 생각할 수 있습니다. 즉 한점에서 출발한 빛이 다른 점에 도착할 때 최소의 시간이 소요된다는 것이 빛이 직진한다는 의미입니다. 물론 보통 3차원 공간에서 파악하면 두 지점을 가장 빨리(빛의 속도로) 운동하는 방법은 직선이겠지요.
그러나 빛의 운동에는 4차원 시공간이라는 상대성이론이 적용됩니다. 우주에서의 빛의 경로를 3차원 공간만 놓고 보면 휘어진 곡선으로 나타나지요. 하지만 4차원의 시공간으로 바라보면 역시 빛은 최단거리를 운동하고 있는 것입니다.
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