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태양은 에너지의 원천으로 지구가 사용하는 모든 에너지는 태양으로부터 온다. 지구의 모든 생명체는 태양으로부터 에너지를 얻어 생육하고 번성한다. 지구의 기상과 기후도 태양에 의해 결정된다. 그래서 고대로부터 태양은 동서양을 막론하고 숭배의 대상이 돼 왔다.
그리스 신화에 나오는 태양신은 아폴론이지만 2세대 신이다. 1세대 태양신은 티탄신인 헬리오스(Helios)였다. 크레타섬 동쪽에 위치한 로도스섬에는 세계 7대 불가사의 중 하나인 헬리오스의 거상이 있었다고 전해진다.
동상의 크기는 33m로 미국 자유의 여신상과 비슷한 크기였다. 하지만 BC226년에 무너졌고 그 이후로 다시 복원되지 못했다.
그리스 신화에는 태양신뿐 아니라 태양과 관련된 이야기가 많이 나온다. 그중 가장 흥미로운 게 이카로스의 신화다. 이 신화는 헬리오스와 그의 아들 파에톤의 일화에서 차용됐다. 이카로스는 다이달로스의 아들이다. 다이달로스는 크레타섬의 왕 미노스에게 미움을 받아 아들과 함께 높은 탑에 갇히게 된다.
하루는 창가에서 밖을 내다보던 이카로스가 하늘을 나는 새를 보고 다이달로스에게 알렸고 다이달로스는 새를 보고 크레타섬의 감옥에서 탈출하기 위한 대담한 계획을 세운다. 다이달로스는 덩치 큰 새들의 깃털을 밀랍으로 연결해 거대한 인공 날개를 만든다.
이카로스는 그렇게 만든 날개를 등에 메고 하늘로 날아올라 비행을 시도한다. 이때 다이달로스는 이카로스에게 태양에 가까워질수록 뜨거운 햇빛 때문에 날개가 녹을 수 있으니 태양에 너무 가까이 날아가지 말라고 한다.
하지만 젊은 이카로스는 아버지의 경고를 귀담아듣지 않았고 하늘을 향한 욕망은 그를 점점 더 태양 가까이 이끌었다. 결국 날개 속의 밀랍은 모두 녹아버렸고 잠깐의 자유를 누렸던 이카로스는 바다 아래로 떨어져 최후를 맞는다.
이카로스가 떨어져 죽은 바다는 터키와 그리스 사이에 있는 이카리아 해(이카로스의 바다)다. 이카로스는 아버지의 말을 무시하고 태양과 가까이 날면서 밀랍이 녹아 추락했다.
하지만 과연 태양과 가까워지면 밀랍이 녹을까? 태양은 복사열 형태로 지구에 도달하기 때문에 태양과 가까이 가더라도 밀랍은 녹지 않는다.
예를 들어 수성은 금성보다 태양과 가까이 있어 더 뜨겁다고 생각하기 쉽지만 실은 금성이 더 뜨겁다. 수성에는 대기가 없는 반면 금성은 두꺼운 대기가 있기 때문이다.
지구는 태양에너지를 받아 기온이 높아진다. 하지만 태양에너지가 직접 지구의 공기를 데우는 건 아니다. 태양 빛이 지구의 지표면에 도달하면 지표면이 더워지고 그 더워진 지표면이 대기를 데워 온도가 올라간다. 따라서 수성과 같이 대기를 구성하는 입자들이 없으면 온도는 상승하지 않는다.
현대 과학 문명이 짧은 기간에 급속도로 발전했다고 하지만 아직도 인류가 밝혀낸 자연의 신비는 극히 일부에 지나지 않는다. 태양도 마찬가지다. 태양은 중심부 온도가 2700만℃로 매우 높지만 표면으로 가면 6천℃로 내려간다. 그러나 태양의 대기층인 코로나 영역으로 올라가면 다시 120만℃로 높아진다.
이 같은 태양의 비밀을 밝히기 위해 인류는 2018년 8월 12일 태양을 탐사하는 파커 솔라 프로브(PSP, Parker Solar Probe) 우주선을 쏘아 올렸다.
이 우주선의 이름은 현존하는 유명한 태양 천체 물리학자 유진 파커(Eugene Parker, 1927년~)의 이름을 따서 만들었는데 태양에 매우 가깝게 접근해 코로나 내부에서 태양풍과 플라스마에 관한 비밀을 푸는 임무를 맡는다.
파커 솔라 프로브는 지난 2019년 수성을 지나 태양 표면 2400만㎞ 거리까지 접근했고 2021년에는 850만㎞까지 접근했다. 2025년이 되면 690만㎞까지 접근할 것으로 예상된다.
파커 솔라 프로브가 아무리 태양 가까이 가도 이 우주선이 받는 최고 온도는 1400℃ 정도밖에 되지 않는다. 하지만 철의 융점이 1538℃임을 감안할 때 1400℃는 그리 만만한 온도가 아니다.
파커 솔라 프로브는 이 엄청난 온도를 견디기 위해 우주선 앞부분에 지름 2.4m, 두께 11.4㎝의 탄소복합소재의 단열보호벽을 설치했다.
파커 솔라 프로브가 태양을 향해 아무리 가까이 가도 온도가 급격히 올라가지 않는 이유는 우주 공간 입자들의 밀도가 매우 낮기 때문이다. 온도라는 물리량은 물질을 구성하는 입자들의 운동이다. 따라서 어떤 공간에 입자들이 없다면 온도도 상승하지 않는다.
또 공간 속을 돌아다니는 입자들이 빠르게 운동한다고 한들 공간 속 입자의 개수가 극히 적다면 물체에 가해지는 에너지 또한 적을 수밖에 없다. 태양을 향해 다가가는 우주선은 우주의 텅 빈 곳을 날아간다. 우주는 입자가 거의 없는 진공상태다. 따라서 우주선을 때려 열을 가하는 입자는 매우 희박할 수밖에 없다.
이는 60℃의 뜨거운 물 속에서는 몇 초도 견딜 수 없는 사람이 60℃의 건식사우나에서 수십 분 동안 너끈히 버틸 수 있는 이유와도 같은 원리다.
태양에서 발생하는 열에너지는 열복사(thermal radiation)를 통해 지구에 도달한다. 열복사란 물질을 구성하는 원자들이 열에 의해 들떠서 전자기파를 방출하는 현상이다. 물질을 구성하는 원자 안에는 양성자와 전자들이 있는데 이들이 열에너지를 받아 운동함으로써 전자기파가 방출된다.
파동이 전달되려면 매질이 있어야 하지만 복사는 매질이 필요 없다. 진공상태에서 소리는 전달되지 않지만 빛이 전달되는 이유도 이와 같다.
오래전부터 햇빛의 속성에 대해 입자설과 파동설이 대립해 왔다. 로버트 훅(Robert Hooke)과 크리스티안 하위헌스(Christian Huygens)는 빛을 파동으로 본 반면 아이작 뉴턴은 입자라고 했다.
입자와 파동의 가장 큰 차이는 에너지 전달과정에 있다. 입자는 에너지와 물질이 함께 이동하지만 파동은 물질이 이동하지 않고 에너지만 이동한다는 점에서 다르다.
연못에 돌을 던지면 돌은 이동하지 않지만 돌의 에너지는 물결을 타고 동심원을 그리며 주변으로 이동하는 것과 마찬가지다. 빛이 만약 파동이라면 물과 같은 매질 속에서 간섭 현상이 일어나면서 속도가 점차 느려져야 한다. 사실 빛은 물속에서 1초에 22만㎞를 간다. 공기보다 더 느리다.
하지만 뉴턴 당시 시대에는 빛의 속도를 잴 방법이 없었기 때문에 이러한 차이를 알 수 없었고 빛의 입자설이 우세했다.
그렇게 150년이 흐른 1801년 영국의 토마스 영은 한 가지 실험을 하던 중 빛의 파동 성질을 발견한다. 종이에 좁은 두 개의 틈새를 낸 뒤 빛을 통과시키니 두 줄의 무늬가 나타나야 하는 데도 여러 가지 간섭무늬가 생겼다.
만약 빛이 입자의 성질을 지녔다면 빛의 직진성을 고려할 때 이런 현상은 불가능하다. 영의 실험 이후 제임스 맥스웰은 1865년에 빛이 파동이라는 걸 수학적으로 입증한 ‘맥스웰 방정식’을 발표한다. 이때부터 빛의 속성에 대해 파동설이 우세해지기 시작한다.
하지만 파동설에는 큰 맹점이 하나 있었다. 물결이 퍼져나가는 것처럼 파동에는 반드시 물과 같은 매질이 있어야만 한다. 하지만 우리가 알다시피 우주는 진공상태로 매질이 없다.
이에 대해 과학자들은 텅 빈 것처럼 보이는 우주엔 관측되지 않는 매질이 있다고 생각했고 이를 에테르(ether)라고 불렀다. 또 이를 찾아내기 위해 많은 연구를 했지만 아무것도 찾을 수 없었다.
게다가 빛에선 파동으로 설명할 수 없는 현상들이 나타나기 시작했다. 대표적인 현상이 광전효과다. 1902년 빛을 연구하던 독일의 필립 레너드(1862~1947)는 빛을 금속에 쪼이게 되면 금속에서 전자가 방출되는데 전자의 방출은 빛의 세기가 아니라 파장에 비례한다는 걸 발견한다.
파동의 성질을 가진 빛은 전자를 튀어 나가게 하지 못하기 때문에 빛의 파동설로는 설명할 수 없었다.
빛은 진폭이 클수록 에너지가 크고 파장이 짧을수록 진동수가 높다. 이 파장의 길이에 따라 파장이 긴 적외선과 눈에 보이는 가시광선, 파장이 짧은 자외선, X선 순으로 구분된다.
빛의 세기가 크더라도 적외선이나 가시광선과 같이 파장이 길면 전자가 방출되지 않지만 빛의 세기가 약하더라도 자외선 등의 파장이 짧은 빛을 쪼이면 금속표에서 전자가 튀어나왔다.
만약 빛이 파동이라면 금속에서 전자를 방출하게 하는 건 파장과는 관계가 없고 빛의 강도(진폭)가 세면 될 뿐이다. 또 파장이 긴 빛이더라도 여러 개가 중첩되면 에너지가 커지기 때문에 전자를 방출할만한 힘을 갖게 된다.
아무리 강한 빛을 쪼여도 그 파장이 길면 전자는 하나도 튀어나오지 않았지만 아무리 빛의 세기가 약하더라도 파장이 충분히 짧으면 전자가 튀어나오는 이 현상을 당시 과학자들은 전혀 이해할 수 없었다.
마치 옛날 죄수들에게 채찍질할 때 진폭이 크도록 채찍을 세게 휘둘러도 상처가 나지 않지만 채찍을 약하게 흔들더라도 부르르 떨면서 흔들면 죄수의 살점이 뚝뚝 쉽게 떨어져 나가는 것과 같다.
이 수수께끼 같은 문제를 푼 사람은 다름 아닌 아인슈타인이다. 아인슈타인은 상대성 이론으로 유명하지만 그에게 노벨상의 영광을 가져온 건 광전효과다. 상대성 이론은 한 분야에서만 통용되는 발견이다. 그러나 광전효과는 양자역학 시대를 연 논문이었기 때문에 그 의미가 크다.
필립 레너드 실험 이후 3년 뒤인 1905년 당시 26세 청년이던 아인슈타인은 그 한 해에만 특수 상대성 이론과 브라운 운동, 광전효과에 대한 세 편의 논문을 발표한다.
이 논문 모두 현대물리학을 뒤흔든 기념비적인 작품이었다. 그래서 물리학자들은 1905년을 기적의 해라고 부른다. 필립 레너드의 실험결과를 아인슈타인은 빛이 입자 알갱이처럼 행동하기 때문이라고 해석했다.
우리가 태양 빛을 받으면 빛은 연속으로 우리 피부에 부딪히고 그로 인해 뜨거워진다고 생각할 거다. 사실 아주 작은 빛의 알갱이가 불연속적으로 우리 피부에 와닿기 때문에 연속적이라고 느끼게 되는 것이다.
빛의 알갱이를 광자(photon)라고 한다. 광자는 보통의 고전적인 입자와는 달라 입자 각각이 고유한 진동수를 갖고 있다.
광자의 입자적인 성질이 사라지면 파동처럼 행동하지만 금속 안의 전자에 에너지를 전달할 때는 입자처럼 행동한다. 빛의 주파수가 높다는 건 광자가 가진 에너지가 높아 전자를 빨리 흔들어 튕겨낼 수 있다는 뜻이다.
금속이 한계 진동수보다 큰 진동수를 가진 광자를 흡수했을 때 금속은 전자를 방출한다. 파장이 긴 빛은 아무리 광자의 수가 많아도 광자 하나의 에너지가 작기 때문에 전자를 튀어나오게 할 수 없다.
광전효과의 발견은 인류 과학사에서 큰 의미를 보여준 사건이다. 아인슈타인의 이러한 발견은 오로지 그 혼자만의 연구결과는 아니었다. 아인슈타인의 광전효과 아이디어는 막스 플랑크가 5년 전에 도입한 광양자 가설(light quantum theory)이었다.
아인슈타인은 이 광양자 가설을 재발견(Re-search)한 것뿐이다. 이 세상에 없던 새로운 걸 발견하는 건 매우 어려운 일이다. 과거에도 그랬고 앞으로도 그럴 거다. 과거에 당연하게 여겨져 왔던 걸 재발견하는 게 과학자들의 연구다. 그래서 연구를 ‘Research’라고 한다.
광양자 가설에서 빛은 어떤 최소한의 에너지 덩어리로 작게 나뉘어 있다. 그 광자의 최소한의 에너지는 빛의 진동수에 정비례한다. 광자의 에너지는 진동수와 플랑크 상수의 곱으로 이뤄진다. 따라서 특정한 진동수의 빛은 그 최소량의 정수배로만 존재할 수 있다.
프랑크 상수는 (h)=6.62606896ⅹ10-34J.s 로 매우 작기 때문에 거시세계에서는 최소량의 한, 두 배 차이를 구분할 수 없을 정도로 연속적인 값일 수밖에 없다. 하지만 미시세계에서 이 한, 두 배 차이는 실로 어마어마하다.
아인슈타인 아이디어로 레너드의 실험 결과는 아주 쉽게 설명됐다. 금속에 묻힌 전자를 꺼내기 위해선 전자 하나와 충돌하는 광자 하나의 에너지가 중요하고 그 에너지는 광자의 진동수에 비례한다. 광자의 개수(빛의 세기)가 얼마나 많은지는 전혀 중요하지 않다.
아무리 많은 광자가 쏟아져도 전자 하나와 충돌하는 광자의 에너지가 크지 않으면 전자는 단 하나도 금속 밖으로 튀어 나가지 않는다. 반대로 아무리 광자의 개수가 작더라도 그 광자의 진동수가 크면 그와 충돌하는 전자는 충분히 큰 에너지를 갖게 된다.
광전효과는 인류에 있어 매우 중요한 발견이었다. 광전효과를 이용한 게 태양광 발전소다. 태양광 패널은 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여서 만든다.
빛이 태양광 패널에 부딪히면 광전효과가 일어나면서 전자가 방출되고 정공(전자가 방출된 빈자리)이 생긴다. 태양광 패널의 전자는 N형 반도체로 흐르고 정공은 P형 반도체 쪽으로 흐르도록 접합돼 있다.
이때 N형 반도체와 P형 반도체를 도선으로 연결하면 N형 반도체에 있는 전자는 도선을 통해 P형으로 흐르면서 전류가 발생한다.
아인슈타인은 광전효과를 발견해 양자역학 시대를 열었지만 그는 죽을 때까지 양자역학을 인정하지 않았다. 양자를 더 연구해 양자역학이란 학문을 개척한 막스 보른은 양자가 일종의 확률로 움직인다고 주장했다. 하지만 아인슈타인은 양자가 확률이 아닌 입자의 확정적인 운동으로 이뤄진다고 주장한다.
아인슈타인은 1927년 제5차 솔베이 회의에서도 슈뢰딩거와 함께 보어와 하이젠베르크가 내놓은 ‘코펜하겐 해석’을 정면으로 반대했다.
양자역학의 모순을 빗대어 슈뢰딩거는 산 것도 죽은 것도 아닌 슈뢰딩거의 고양이 사고실험을 이야기했고 아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 유명한 말을 남겼다. 이에 닐스 보어는 “신에게 참견하지 말라(stop telling God what to do)”고 응수했다.
아인슈타인은 그가 속한 세계에 있어 인식의 한계가 있었다. 즉 과학의 한계는 그 당시 과학계 인식의 한계다. 아인슈타인이 양자역학을 이해할 수 없었던 건 양자의 세계가 우리 거시세계의 언어로는 전혀 표현할 수 없었기 때문이다.
우리가 무언가를 안다는 건 우리의 경험에 비춰 이해할 수 있다는 걸 의미한다. 하지만 우린 양자의 세계를 경험한 바 없다. 따라서 그걸 설명할 수 있는 언어도 없다. 20세기 최고의 철학자인 비트겐슈타인은 표현의 한계는 언어의 한계고 언어의 한계는 생각의 한계라고 했다.
과학은 어떤 방식으로 성장해 나가는가? 칼 포퍼는 이 질문에 대해 “당연하다고 생각했던 게 부정될 때, 혹은 그렇지 않다고 생각했던 게 긍정이 될 때 과학은 발전한다”고 말한다.
한 시대를 풍미했던 위대한 물리학자인 아인슈타인은 그가 죽을 때까지 양자역학은 엉터리라며 인정하지 않았다. 하지만 현대물리학은 아인슈타인의 고집을 뒤로하고 새로운 영역에 들어서게 된다.
모든 물질은 원자로 구성된다. 그리고 양자역학에 의하면 원자는 에너지의 파동으로 구성된다. 에너지의 파동이 양자(Quantum)다. 즉 양자란 더 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위다. 이제 현대 물리학은 그 누구도 이해하기 힘들다는 양자물리학의 시대로 접어든다.
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