빛은 파동일까? 아니면 입자일까? 수백 년간 계속되어 왔던 과학계의 논쟁이 강연과 연극을 결합한 ‘강극(Secture Drama)’이라는 형태로 무대에 올랐다. 20일 블루스퀘어 삼성카드홀에서 열린 제8회 카오스콘서트 ‘빛, 色즉時空’이 바로 그 현장이었다.

빛, 너의 정체가 궁금하다

이날 무대에서는 빛의 본질을 두고 치열한 설전이 벌어졌다. 빛이 파동이라고 주장하는 ‘안파동’은 긴 밧줄을 흔들고 북을 치면서 빛이 파장과 진폭을 가진 파동이라고 설명했다. 두 개의 파동이 만나면 서로 통과하면서 합쳐져 크기가 커지거나 작아지는 간섭현상이 빛에서도 일어난다는 것을 예로 들었다.

게다가 ‘이중 슬릿 실험(Double SI it Experiment)’을 통해 종이에 두 개의 좁은 틈새(슬릿)을 낸 뒤 빛을 통과시키면 뒤의 스크린에는 밝기가 다른 줄무늬가 나타나는데, 이는 빛이 서로 간섭을 일으켜 밝아지거나 어두워졌다는 것.

이어 빛의 파동설을 수학적으로 입증해 빛의 로제타스톤으로 불리는 ‘맥스웰 방정식’까지 나오면서 빛의 본질에 대한 논쟁에서 파동설이 승리하는 듯 했다. 하지만 빛이 입자라고 주장하는 ‘김입자’의 반박도 만만치 않았다.

빛이 입자의 성질을 가지고 있다는 증거로 ‘광전효과’를 제시했다. 금속에 자외선이나 X선처럼 주파수가 높은 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는데, 이것이 ‘광전효과’다. 빛의 파동설로는 ‘광전효과’를 설명할 수 없다는 것.

아인슈타인은 빛을 입자라고 가정할 때 ‘광전효과’에 대한 설명이 가능하다고 주장했다. 즉 빛은 연속적인 파동의 흐름이 아니라 광자(Photon)라는 입자의 흐름이라는 것. 이 같은 ‘광양자설’을 밝혀냄으로써 아인슈타인은 노벨 물리학상을 받게 됐다.

결국 빛의 본질에 관한 이날의 논쟁은 ‘빛이 입자인 동시에 파동이란 것’으로 마무리됐다. 빛이 입자와 파동의 특성을 모두 갖고 있다는 얘기다. 이것이 바로 빛의 이중성(Duality)으로, 물리학에서는 빛을 파동(wave)과 입자(particle)를 합쳐 Wavicle이라고 부른다는 것.

이처럼 빛의 본질을 파헤친 후에는 현란한 레이저쇼로 빛의 아름다움을 직접 구현해 보는 빛의 예술이 펼쳐졌다. 다양한 레이저퍼포먼스를 통해 빛과 음악이 결합된 작품을 선보여 보는 이들의 빛에 대한 인식과 감각을 일깨워주는 시간이었다.

강연과 토크로 재미있는 빛 이야기 풀어내

다음으로는 빛의 역사를 살펴보는 과학자들의 강연이 이어졌다. 천문학을 통해 낭만적인 과학이야기를 들려주는 윤성철 서울대 물리천문학부 교수가 ‘우리는 별에 다다르기 위해 죽는다’라는 주제로, 재미있는 양자역학 강연으로 유명한 김상욱 부산대 물리교육과 교수가 ‘슈뢰딩거의 고양이’라는 주제로 강연했다.

윤성철 교수는 “초신성의 폭발로 산소, 철, 황, 인 규소 등의 물질이 우주 공간으로 퍼져나갔고, 별과 물질의 순환이 반복되면서 생명과 별을 만들 수 있는 물질이 늘어나게 된 것”이라며 빅뱅 우주론을 통해 우주가 화학적으로 진화하고 있다고 설명했다.

또 김상욱 교수는 “슈뢰딩거의 고양이는 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전함을 보이기 위해 고안한 실험”이라며 많은 과학도들에게 절망감을 안겨줬던 양자역학을 일반인들도 이해하기 쉽게 풀어냈다.

이어진 과학토크에는 정하웅 카이스트 물리학과 교수가 사회를 맡고 윤성철 교수와 김상욱 교수, 그리고 정애리 연세대 천문우주학과 교수가 패널로 참여했다. 여기서는 빛의 미래 연구에 대해 윤성철 교수가 빅뱅 후 최초의 별들을 관찰하면서 초기 우주를 탐사하는 도전적인 과제를 제시했고, 정애리 교수는 이런 초기 우주탐사를 위해서는 빛을 많이 보고 자세히 볼 수 있는 연구들이 이뤄져야 한다고 덧붙였다.

‘카오스콘서트’를 주최한 재단법인 카오스(KAOS)는 과학에 관한 깊이있는 지식을 강연과 콘서트 등을 통해 대중들에게 쉽고 재미있게 전달하고 인문학과 사회과학 등 다양한 분야의 학문과 교류, 소통을 위해 설립됐으며 오는 3월부터는 ‘뇌과학’과 관련된 공개강연을 10차례 진행할 예정이다.