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러더퍼드의 원자모형이 지닌 불안전성에 관한 이론적인 해결은 여러 사람들의 손을 거쳐서 이루어졌다. 드브로이, 아인슈타인, 보어, 슈레딩거, 프랭크 등 20세기 과학의 거두들이 모두 동원되었고 마침내 ‘양자론\\'이란 과학의 혁명을 거치면서 자연스럽게 해결된다. 이야기의 시초는 독일과 프랑스가 보불전쟁을 끝낸 지 얼마 안되는 시절로 돌아간다. 석탄이 많이 나는 알사스 로렌스 지방은 독일의 지배하에 들어갔으며, 영국에서 일어난 산업혁명의 여파로 기계공업이 눈부시게 발달하고 있었다.

따라서 제철공업이 기간산업이었으며 석탄이 많이 나는 알사스 로렌스 지방 역시 철광공업이 발달하고 있었다. 좋은 철강을 만들려면 용광로의 온도조절이 가장 중요한 요인이며 어떤 온도에서 얼마만큼 철광을 제련하는가에 따라 생산되는 철의 강도 및 탄성들이 결정되는 것이다.


[ 막스 프랭크 ]
당시 본(Bonn)대학의 물리학 교수였던 막스 프랭크(Max Planck)박사는 용광로의 온도를 빛의 색깔에 따라 알아내는 숙련공들의 감각을 좀더 과학적인 이론으로 정리하고 있었다. 복사의 법칙으로 알려진 이 법칙은 영국인 레리와 진스(Raylic & Jeans)에 의하여 저온에서는 초보적인 이론이 완성되어 있었고, 고온에서는 빈의 법칙(Wien\\'s Law)이라는 이름의 경험법칙이 있었다. 그러나 저온과 고온을 연결하는 부분의 이론이 없었고 많은 학자의 노력에도 불구하고 그 부분으로 설명이 가능한 이론을 발견하지 못하고 있었다. 마치 시험문제의 정답을 이렇게 저렇게 꿰어 맞추어 보다가 우연히 알아내듯이 프랭크는 연결부분의 공식을 시행착오를 겪으면서 알아냈다. 그렇지만 그 공식이 왜 그런지를 몰라서 고민하고 있었다.

기초과학에서는 그 결과보다는 도출되는 과정과 그 논리가 더욱 중요하나 프랭크 박사는 \\'왜 그런가\\'라는 질문에 답하기 위하여 괴로운 나날을 보냈다. 그러던 어느날 모든 사람이 당연하다고 생각하는 자연의 연속성에 대하여 혹 그렇지 않을 수도 있겠다는 생각을 하게 되었다.

빛이 전자파라면 그 강도는 파동의 진폭에 관계되고 얼마든지 조절이 될 것이다. 그러나 프랭크 박사는 빛의 강도가 띄엄띄엄 변할 수밖에 없다고 생각했을 때 어떤 결과를 갖게 되는지 검토했다. 띄엄띄엄한 것과 연속적인 것을 재는 것은 판이하게 다르다. 한 말의 콩과 물이 있다고 하자. 물은 연속적인 액체이고 콩은 알갱이로 되어 있다. 콩은 하나 둘 셀 수가 있지만 물은 그렇게 할 수가 없다. 콩처럼 띄엄띄엄한 불연속적인 양은 우리가 초등학교에서 배운 것처럼 헤아려서 보태어 나가면 그 양을 셈할 수 있다. 그렇지만 물처럼 연속적인 양은 합하는데 \\'적분\\'이라는 특별한 기술이 필요하다. 아마 대부분의 독자들은 \\'미분ㆍ 적분\\'으로 알려진 이 기법을 좋아하지 않고 어렵다는 인상을 가지고 있을 것이다.

앞에서 말한 영국인 레리와 진스는 빛의 강도는 연속적이라 생각하여 그 총합을 구하는데 \\'적분\\'을 써서 그 총합을 구한 것이었다. 빛의 강도가 불연속이라면 모든 사람이 당연히 쓰던 적분을 하지 않고 대신에 단순히 산술적으로 합하여야 한다는 생각이 들었다. 그렇게 한 결과 놀랍게도 공식을 도출할 수 있었다.

프랭크 박사는 몇 주일을 망설이다가 자기 생각을 발표하게 되었다. 복사열에서 나오는 에너지는 연속적이 아니고 불연속적이며 최소 단위가 되는 ‘양자\\'가 있다고 주장했다. ‘양자론\\'으로 알려진 이 이론은 이 세상의 에너지는 최소의 에너지량인 h의 배수가 되고 있다는 주장이다. 지금은 프랭크 상수로 알려진 이 에너지의 최소 단위인 h는 그 크기가 6.63x10의 에너지를 1초간 공급하는 만큼을 말하며 이러한 프랭크 상수의 에너지 뭉치가 10³²개(즉 10억 배의 10억 배의 또 10억 배의 또 십억 배이다)가 있어야 30w짜리 전등 하나를 1초 동안 밝혀놓을 수 있는 작은 에너지에 해당되고 이보다 더 작은 에너지 뭉치는 없다는 것이다.

이러한 프랭크의 양자개념을 곧 다른 곳에 응용한 사람이 있었으니 그는 다른 사람 아닌 아인슈타인이었다. 아인슈타인은 빛의 강도가 불연속이라면 이것이 무엇을 뜻하는지를 처음으로 올바르게 이해한 사람이었다. 아인슈타인은 빛은 그때까지 믿어오던 전자파인 파동이 (뒤에 나오는 ‘빛과 그림자\\'를 참조하기 바람) 아니라 자세히 들여다보면
수많은 빛의 알갱이인 양자로서 이루어져 있다고 생각했다. 빛은 파동이 아니라 빛의 양자 즉 알갱이(영어로는 Photon이라고 하며 물리학자들은 이를 광양자라는 이름으로 부르고 있다)로 구성되어 있다고 주장하였다.

빛을 반투명한 거울에 비추면 반은 통과하고 반은 반사한다. 다시 말해서 한번 통과하면 빛의 강도가 반으로 줄어드는 것이다. 이런 일을 반복하면 빛의 강도는 점점 약해져서 마지막에는 단 하나의 빛의 알갱이인 광양자가 남을 것이다. 마치 물질을 쪼개어 나가면 최소 단위인 원자를 얻게 되는 것처럼, 아인슈타인의 생각으로는 복사열 역시 빛과 같은 전자파이므로 광양자로 이루어져 있다고 생각했다.

흑체복사로 불려지는 복사열은 사실상 용광로 속에 들어 있는 광양자의 가스가 새어나오는 것이라고 생각할 수 있다.



가스가 원자로 된 것이라면 이 광양자 가스는 광양자로 되어있는 차이만 있다는 것이다. 이렇게 광양자로 되어있는 가스이기 때문에 알갱이 하나하나의 불연속성은 당연하고 실제로 흑체복사의 법칙은 광양자 가스로서 설명이 된다.

프랭크의 양자론이 왜 그렇게 획기적이고 현대물리학에 어떤 영향을 미쳤는지는 더 긴 설명이 필요하지만 우선 광양자의 존재를 잘 나타내는 실험 사실 하나를 먼저 보도록 하자. 사진은 3천 개의 광양자 뭉치로 비추어 본 여인의 얼굴이고 아래쪽 끝은 2천팔백만 개의 광양자로 본 여인의 얼굴이다. 에너지 뭉치인 광양자가 잘 보이는 사진이라 할 수 있다.
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