2. 빛의 파동성과 에테르 가설
17 세기에 이르러 빛이 성질에 대해 과학적인 논의가 이루어지기 시작했습니다. 이 시기 가장 유명한 대립이 바로 빛이 입자나 파동이냐를 두고 대립한 과학적 대논쟁입니다. 빛이 입자의 일종이라고 처음 주장한 사람은 피에르 가센디 (Pierre Gassendi) 였습니다. 아이작 뉴튼 경은 그의 사후 그의 이론에 연구했고 빛의 입자설을 지지했습니다.
한편 빛이 파동의 일종이라는 주장은 비슷한 시기에 로버트 훅 (Robert Hooke) 에 의해 제기되었는데 사실 이전에도 파동이 아닐까 의심하는 의견은 있어왔습니다. 이를 적극 지지한 저명한 과학자는 바로 호위겐스 (Christiaan Huygens) 였습니다.
당시 뉴튼과 호위겐스는 이를 두고 대립했지만 뉴튼의 과학적 명성 때문에 입자설이 더 지지를 받았습니다. 하지만 뉴튼 사후에 점차 파동으로써의 빛의 성질이 연구되면서 19세기엔 파동설이 더 지지를 받게 됩니다.
그런데 빛이 파동이라고 가정할 경우 한가지 귀찮은 문제가 발생하게 됩니다. 그것은 바로 파동이 전파될 매질이 필요한 것입니다. 이를테면 소리의 경우 공기나 물 같은 매질을 통해 전파되며 진공상태에서는 전파될 수 없습니다. 따라서 빛을 전파시키기 위한 눈에 보이지 않는 가상의 매질이 필요했는데 바로 그것이 에테르 (aether or ether) 입니다. 이 가상의 물질은 멀리는 아리스토텔레스 시절로 거슬러 올라간다고 하지만 이는 근대의 에테르 가설과는 조금 다릅니다.
아무튼 17 세기 제기된 에테르 가설은 18세기와 19 세기 주도적인 가설로 굳어지게 됩니다. 사실 누구도 그 존재를 증명하지 못했지만 빛이 진공 상태라고 여겨진 별과 별 사이를 아무 문제 없이 이동하기 때문에 눈에 보이지 않고 증명도 할 수 없는 뭔가가 있으리라고 추정할 수 밖에 없었습니다. 이는 맥스웰 (James Clerk Maxwell) 이 빛과 전자기파가 사실 같은 종류라는 사실을 밝혀낼 때 까지도 일반적으로 받아들여 지게 됩니다.
하지만 눈에도 보이지 않는 투명한 물질이 우주 전체에 가득 차 있다면 어떻게 증명이 가능할까요. 이를 증명하기 위한 실험이 1887 년 알버트 마이컬슨 (Ablert Michelson) 과 에드워드 몰리 (Edwards Morley) 에 의해 행해집니다. 그리고 그 결과가 과학에 일대 혁명적 변화를 몰고 왔습니다.
3. 마이컬슨 - 몰리 실험
진공상태에서도 빛이 전달된다는 사실이 증명된 이후 소리 처럼 공기를 매질으로 빛이 전달되는 건 아니라는 점이 확실해졌습니다. 그래서 이를 설명하기 위해 투명하지만 물이나 공기 처럼 저항도 일으키지 않는 가상의 물질인 에테르의 존재를 가정했습니다. 여러 실험에서 빛이 파동에 일종이라는 것은 의심할 바 없어졌기 때문에 이와 같은 무리수를 두게 된 것입니다.
그런데 지구는 태양 주변을 초속 30 km 정도 속도로 공전하고 있으며 태양 자체도 다른 태양계의 행성들과 천체들을 끌고 우주에서 움직이고 있습니다. 따라서 진공 상태에서도 존재하는 이 신비한 물질은 느껴지진 않지만 지구 주변에서 빠른 속도로 흐르고 있을 것입니다. 이를 에테르의 바람 (aether wind) 라고 부를 수 있을 것입니다.
알버트 마이컬슨은 바로 이 두리 뭉실한 괴상한 물체인 에테르의 존재를 과학적으로 증명해 보고자 실험을 준비했습니다. 실험의 개념은 다음과 같았습니다. 일단 광원으로 부터 45도 각도로 기울어진 하프 미러 (Half mirror) 로 빛을 발사하면 일부는 그대로 투과하고 일부는 직각으로 반사됩니다. 각각의 빛은 서로 수직 방향으로 경로가 어긋난 후 다시 합쳐져서 관측되는데 이 때 간섭계를 설치해서 이 두 빛이 전파되는 속도의 차이가 있다면 서로 반드시 간섭무늬가 나타나도록 설계되었습니다.
앞서 이야기 했듯이 지구가 에테르 속을 움직이고 있다면 운동방향과의 각도 차이에 의해 빛의 속도는 서로 차이가 날 것이고 그러면 반드시 이 장치에서 두개의 빛은 간섭무늬를 만들도록 설계되어 있습니다.
(마이컬슨과 몰리의 에테르 검출 실험 the copyright holder of this work, release this work into the public domain. This applies worldwide. )
사실 마이컬슨은 1881 년에도 실험을 했지만 기기가 충분한 성능을 내지 못해 성공하지 못했습니다. 그는 다시 1887 년 미국의 화학자이자 물리학자인 에드워드 몰리의 도움을 받아 에테르가 존재한다면 반드시 검출될 정도의 민감도를 지닌 장치를 만들어 실험했습니다.
이 역사적인 실험에서 그들은 아무리 방향을 바꿔가며 반복 실험을 해도 빛이 전파되는 속도는 방향과 전혀 관계 없이 일정하다는 충격적인 사실을 알아냈습니다. 도저히 기존의 물리학으로는 이해되지 않는 이상한 현상이었습니다.
무엇보다 광속이 어디에서 측정하나 일정하다는 것 하나만으로도 이해가 잘 되지 않는 일이었습니다. 기존의 물리학에서는 빠른 속도로 움직이는 천체에서 나오는 빛은 그 물체가 가진 속도 V 에 광속도 C 를 합쳐 V+C 의 속도를 가지게 됩니다. 그러나 실제로 측정한 값은 항상 광속도 C 로 일정하다면 뭔가 이제까지 이해가 되지 않는 일이 생기는 것이 틀림없었습니다.
더구나 사실 이 문제는 가시 광선에만 해당되는 이야기가 아니었습니다. 맥스웰의 실험에 의해 빛과 전자기파가 사실 같다는 사실이 밝혀졌습니다. 우리는 눈에 보이는 파장만 일반적으로 빛으로 인지하지만 실제로는 더 광범위한 파장의 보이지 않는 빛이 존재합니다. 감마선에서 라디오파에 이르는 이들 전자기파들 역시 광속으로 움직입니다. 이들 역시 V+C = C 라는 이상한 모순에 부딪히게 됩니다.
(우리가 가시광이라고 인지하는 부분은 사실 전자기파의 극히 일부분에 불과하다 출처http://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_spectrum.svg )
마이컬슨과 몰리의 실험을 비롯 다른 관측에서 발견된 바와 같이 광속이 항상 일정하다는 사실의 모순을 해결하는 것은 물론 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론입니다.
댓글
댓글 쓰기