알갱이인가 물결인가 — 둘 다라는 대답

이것은 물결의 특징입니다. 잔잔한 물에 돌 두 개를 던지면 두 물결이 만나는 자리에 무늬가 생깁니다. 마루끼리 만나면 더 높아지고, 마루와 골이 만나면 서로 지워집니다.

이 실험으로 논쟁이 끝났습니다. 빛은 물결이었습니다. 뉴턴이 틀렸습니다.

백 년 뒤, 금속판 하나가 뒤집었다

금속에 빛을 쬐면 전기가 흘러나옵니다. 빛이 금속 안의 전자를 밖으로 때려내는 것이죠. 물결 이론으로 보면 답은 뻔합니다. 빛을 세게 비출수록 더 세게 때리니 전자가 더 빨리 튀어나와야 합니다.

그런데 아니었습니다. 아무리 밝은 빨간빛을 쬐어도 전자가 아예 안 나옵니다. 반대로 아주 약한 보랏빛을 쬐면 곧바로 나옵니다.

1905년에 나온 설명은 이랬습니다. 빛은 한꺼번에 퍼져 오는 물결이 아니라 덩어리 단위로 온다. 전자 하나는 그 덩어리 하나와 부딪힌다. 덩어리 하나가 가진 힘은 색이 정한다. 빨간 덩어리는 아무리 많이 와도 하나하나가 약해서 전자를 못 떼어냅니다.

빛을 물결로 만든 그 이론을 깨고 다시 알갱이를 꺼낸 사람이, 나중에 이 일로 노벨상을 받습니다. 상대성이론이 아니라 이것으로요.

여기부터 조금 더

그래서 결론은 둘 다

빛은 갈 때는 물결처럼 퍼져 나가고, 부딪힐 때는 알갱이처럼 한 덩이씩 부딪힙니다. 두 실험 다 정직한 실험이고 둘 다 맞습니다.

모순처럼 들리는 이유는 우리가 아는 물건이 둘 중 하나이기 때문입니다. 야구공은 알갱이고 파도는 물결입니다. 그런데 빛은 야구공도 파도도 아닙니다. 우리 주변에 비슷한 것이 없는 것입니다.

가장 이상한 실험

앞의 두 틈 실험을, 빛 알갱이를 하나씩 쏘면서 해봅니다. 한 알 쏘고 기다리고, 또 한 알 쏘고. 알갱이 하나는 겹칠 상대가 없으니 줄무늬가 생길 수 없습니다.

그런데 오래 쌓으면 줄무늬가 나타납니다. 알갱이 하나가 틈 두 개를 동시에 지나기라도 한 것처럼요.

여기에 더해, 어느 틈으로 지나갔는지 보려고 장치를 대면 줄무늬가 사라집니다. 안 보면 다시 생깁니다.

이 지점부터가 양자역학입니다. 자료실의 「양자역학, 순서대로」 시리즈가 그 자리에서 시작합니다.

남은 질문빛이 알갱이이면서 물결이라면, 우리가 '알갱이'와 '물결'이라고 부르는 구분은 세상의 것입니까 우리 머릿속의 것입니까?