[깊은생각 & AI와 대화] 빛의 질량과 에너지

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1. 개요

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며칠 전 유튜브를 통해 빛이 물체를 밀어내는 힘을 측정한 실험이 논문으로 발표되었다는 소식을 접했다.

정확히 어떤 논문이었는지는 기억나지 않지만, 빛이 물체에 가하는 극히 작은 힘을 측정했다는 내용이었던 것으로 기억한다.

그 영상을 보면서 과거에 공부했던 빛의 입자성과 파동성에 관한 내용이 떠올랐다.

빛이 입자인지 파동인지에 관한 논의는 오랫동안 이루어져 왔다. 현대 물리학에서는 빛이 입자적인 성질과 파동적인 성질을 모두 나타낸다는 것을 인정하고 있다.

우리는 이를 빛의 파동·입자 이중성이라고 부른다.

그런데 개인적으로는 이러한 설명을 접할 때마다 한 가지 의문이 들었다.

빛은 질량이 없다고 하는데, 어떻게 에너지를 가지고 물체에 힘을 가할 수 있는 것일까?

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또한 원자와 전자 같은 입자들을 우리가 생각하는 작은 구형의 물체로 이해하는 것이 과연 적절한 것일까?

이러한 생각은 고등학교에서 화학을 공부하던 시절부터 조금씩 가지고 있었던 의문이었다.

이번에는 빛에 관한 영상을 계기로 과거에 공부했던 내용과 당시 가졌던 생각을 다시 떠올리고, AI와의 대화를 통해 새롭게 이해하게 된 부분까지 정리해 보고자 한다.

물론 나는 양자역학을 전문적으로 연구하거나 수학적으로 깊이 공부한 사람은 아니다.

그저 과학을 공부하면서 가지게 되었던 개인적인 호기심과 의문을 정리해 보는 글이라는 점을 먼저 이야기하고 싶다.

2. 본문

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2.1. 화학에서 처음 접한 양자역학

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나는 양자역학의 기초를 물리학보다 화학이라는 학문을 통해 먼저 접하게 되었다.

계기는 고등학교 1학년 때였다.

당시 과학 수업에서는 화학의 기초적인 내용을 함께 가르쳤다.

산과 염기, 원소의 족과 주기와 같은 내용을 배우면서 조금씩 원자의 구조에 관해서도 접하게 되었다.

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화학 선생님은 수업 중 최외각 전자와 원자의 구조에 관해서도 간단하게 설명해 주셨던 것으로 기억한다.

그때부터 원자와 전자에 관한 호기심이 생겼다.

본격적으로 원자와 물질에 관해 공부하게 된 계기는 '하이탑'이라는 과학 참고서의 화학Ⅰ과 화학Ⅱ를 혼자 공부하면서부터였다.

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원자 모형이 어떻게 발전해 왔는지 살펴보면서 돌턴의 원자 모형부터 톰슨, 러더퍼드, 보어의 원자 모형을 거쳐 현대의 양자역학적 원자 모형에 이르기까지 차근차근 접하게 되었다.

그 과정에서 전자구름이라는 개념도 알게 되었다.

전자가 원자핵 주변의 정해진 궤도를 따라 움직이는 작은 공처럼 존재하는 것이 아니라, 위치를 확률적으로 설명한다는 내용이 인상 깊었다.

또한 흑체복사와 에너지의 양자화, 원자의 불연속적인 에너지 준위와 선 스펙트럼에 관해서도 공부했다.

전자껍질과 1s, 2s 같은 오비탈의 의미, 하나의 오비탈에 서로 다른 스핀 상태의 전자가 들어갈 수 있다는 내용도 배웠다.

물론 당시에는 이러한 현상을 수학적으로 계산하거나 증명하는 방법까지 깊이 공부한 것은 아니었다.

대부분의 내용을 계산 과정이 아닌 결과와 개념을 중심으로 이해했던 것으로 기억한다.

솔직히 수학적인 증명 자체에는 큰 관심이 없었던 것 같다.

그보다는 왜 그러한 결과가 나타나는지, 그리고 우리가 관찰하고 있는 물질이 실제로 어떠한 모습인지가 더욱 궁금했다.

그 당시에는 이러한 내용을 화학의 일부로 생각하고 공부했지만, 나중에야 그것이 물리학과 깊이 연결되어 있으며 양자역학의 기초를 다루는 내용이라는 점을 알게 되었다.

2.2. 입자는 실제로 어떤 모습으로 존재하는가?

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원자 모형을 공부하면서 자연스럽게 가지게 된 의문이 있었다.

우리가 원자와 전자를 구형의 작은 입자처럼 표현하는 것은 실제로 그러한 모양이기 때문일까?

물론 원자를 작은 구형으로 표현하는 이유는 알고 있었다.

교육적으로 이해하기 쉽고, 원자 모형이 발전해 온 과정을 설명하는 데 편리하기 때문이다.

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돌턴의 원자 모형에서 보어의 원자 모형에 이르기까지 이러한 표현은 물질의 구조를 이해하는 데 도움이 된다.

하지만 그러한 모형이 실제 원자와 전자의 모습을 그대로 나타낸다고 생각하지는 않았다.

특히 전자를 파동함수와 확률 분포로 설명한다는 사실이 흥미로웠다.

우리가 관찰하는 전자의 위치는 특정한 지점에서 나타나지만, 관찰하기 이전의 상태를 고전적인 입자의 위치와 운동으로 설명하기는 어렵다는 것이다.

나는 이러한 내용을 접하면서 어쩌면 입자라는 것이 우리가 생각하는 작은 구형의 물체가 아니라, 공간에 퍼져 있는 파동적인 상태에 더 가까운 것이 아닐까 하는 생각을 했다.

그리고 관찰이라는 상호작용을 통해 특정한 위치에서 결과가 나타나는 것인지도 궁금했다.

물론 이러한 생각이 현대 양자역학에서 입증된 결론이라는 의미는 아니다.

양자역학에서는 파동함수를 이용해 측정 결과의 확률을 계산하지만, 그 파동함수를 실제 물리적 실체로 보아야 하는지에 대해서는 여러 해석이 존재한다고 한다.

나는 당시 그러한 해석의 차이까지 깊이 공부하지는 않았다.

다만 입자라는 표현과 실제 물리적 존재 사이에는 우리가 생각하는 것보다 큰 차이가 있을 수 있다는 생각을 가지고 있었다.

하이젠베르크의 불확정성 원리를 공부하면서도 비슷한 의문을 가졌었다.

위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 설명을 듣고, 측정하는 방법 자체를 바꾸면 해결할 수 있지 않을까 생각했던 것이다.

예를 들어 하나의 입자를 이용해 측정하는 것이 아니라 두 개의 탐침 입자를 이용해 서로 다른 정보를 얻으면 어떨까 하는 생각도 했다.

하지만 이후 살펴보니 불확정성 원리는 단순히 측정 장비가 부족해서 발생하는 문제가 아니었다.

양자상태에서 위치와 운동량의 측정 결과가 가지는 근본적인 관계와 연결되어 있으며, 두 개의 탐침을 사용하더라도 그 한계를 완전히 없앨 수는 없다고 한다.

이러한 점을 생각해 보면 과학에서 무언가를 관찰한다는 것은 단순히 눈으로 그 모습을 확인하는 행위와는 상당히 다른 의미를 가지고 있는 것 같다.

그리고 이러한 의문은 자연스럽게 빛에 관한 생각으로 이어졌다.

2.3. 빛은 질량이 없는데 어떻게 힘을 가하는가?

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처음에 언급했던 유튜브 영상으로 돌아가 보자.

빛이 물체에 닿았을 때 극히 작은 힘이 발생한다는 이야기는 처음 접한 내용이 아니었다.

빛이 물체에 운동량을 전달하면서 힘을 가할 수 있다는 현상은 이미 복사압이라는 개념으로 설명되고 있다.

빛이 물체에 흡수되거나 반사될 때 물체에 운동량이 전달되고, 그 결과 힘이 발생할 수 있다는 것이다.

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그런데 여기에서 개인적으로 조금 이상하게 느껴지는 부분이 있었다.

우리는 일반적으로 물체가 다른 물체를 밀어내거나 충돌할 때 질량을 가진 물체들의 운동을 떠올린다.

하지만 빛을 구성하는 광자는 질량이 없다고 설명한다.

그렇다면 질량이 없는 빛은 어떻게 운동량을 가지고 물체에 힘을 가할 수 있는 것일까?

이 문제를 이해하려면 질량과 에너지, 운동량을 구분해야 한다.

아인슈타인 하면 가장 먼저 떠오르는 공식은 다음과 같을 것이다.

E = mc²

이 식은 정지한 물체의 에너지와 질량 사이의 관계를 보여준다.

하지만 움직이는 입자의 에너지와 운동량까지 고려하려면 조금 더 일반적인 관계를 사용해야 한다.

E² = (mc²)² + (pc)²

여기에서 m은 불변질량이고 p는 운동량이다.

광자는 불변질량이 0이지만 에너지와 운동량을 가지고 있기 때문에 다음과 같은 관계를 가진다.

E = pc = hν

즉, 빛은 질량이 없어도 에너지와 운동량을 가질 수 있다.

빛이 물체에 힘을 가할 수 있는 이유 역시 이러한 운동량의 전달로 설명할 수 있다.

예전에는 에너지가 있다면 질량도 있어야 하는 것이 아닌가 생각했지만, 현대 물리학에서 사용하는 질량의 의미는 그렇게 단순하지 않았다.

특히 질량이 없다는 것은 에너지가 존재하지 않는다는 뜻이 아니라, 입자의 불변질량이 0이라는 의미라는 점을 구분할 필요가 있었다.

그러고 보니 빛이 물체를 밀어낸다는 사실보다 더욱 흥미로운 질문이 생긴다.

질량이 없는 입자도 에너지를 가지고 존재할 수 있다면, 질량이란 도대체 무엇일까?

2.4. 질량과 에너지는 어떤 관계인가?

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나는 과거에 질량을 에너지가 모여 있는 형태가 아닐까 생각했던 적이 있다.

우리가 물질이라고 부르는 것이 결국 여러 입자와 상호작용으로 이루어져 있다면, 그 입자와 상호작용이 가지고 있는 에너지가 물질의 질량과 깊게 연결되어 있을 것이라고 생각했기 때문이다.

물론 에너지라는 것이 하나의 물질처럼 공간에 모여서 질량이 된다는 의미로 단순화할 수는 없을 것이다.

현대 물리학에서 에너지는 입자나 물리계가 가지고 있는 성질이며, 물질을 구성하는 독립적인 재료를 뜻하는 것은 아니기 때문이다.

하지만 질량과 에너지가 서로 깊게 연결되어 있다는 사실은 분명하다.

예를 들어 양성자의 질량은 내부를 구성하는 쿼크들의 정지질량을 단순히 더한 값과 같지 않다.

양성자의 질량 가운데 상당 부분은 내부 입자들의 운동과 강한 상호작용에 관련된 에너지에서 비롯된다.

또한 질량이 없는 광자 두 개가 서로 반대 방향으로 이동하는 경우를 생각해 볼 수 있다.

각각의 광자는 불변질량이 0이지만, 두 광자로 구성된 물리계 전체는 에너지와 운동량의 관계에 따라 0보다 큰 불변질량을 가질 수 있다고 한다.

개별 입자는 질량이 없는데 여러 입자를 하나의 계로 생각하면 질량이 나타날 수 있다는 사실이 흥미로웠다.

이러한 설명을 접하면서 질량이란 단순히 어떤 물체 안에 들어 있는 물질의 양이라는 일상적인 감각만으로 이해하기 어려운 개념이라는 생각이 들었다.

나는 과거에 질량을 에너지의 집합처럼 생각했지만, 지금은 조금 더 신중하게 바라보게 되었다.

질량과 에너지는 서로 관계가 있지만 완전히 같은 개념은 아니며, 에너지와 운동량, 물리계의 상호작용까지 함께 고려해야 하기 때문이다.

2.5. 물질의 모든 질량을 에너지로 전환할 수 있을까?

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질량과 에너지의 관계를 생각하다 보면 자연스럽게 또 다른 질문에 도달한다.

질량을 가진 물질이 자신의 질량을 모두 다른 형태의 에너지로 전환할 수 있을까?

그리고 만약 가능하다면, 질량에서 전환된 에너지는 어떠한 형태로 존재하는 것일까?

처음에는 빛을 떠올렸다.

광자는 질량이 없으면서도 에너지를 가지고 있기 때문이다.

하지만 꼭 빛이어야 할 필요는 없을 것이다.

질량이 없는 다른 입자나 물리적인 상태로 에너지가 전달될 수도 있지 않을까?

이러한 생각을 하면서 물질과 반물질의 소멸에 관한 설명을 다시 살펴보았다.

대표적으로 전자와 양전자가 만나면 서로 소멸하면서 광자를 만들어 낼 수 있다.

전자와 양전자가 정지한 상태에서 소멸하는 경우에는 일반적으로 서로 반대 방향으로 이동하는 두 광자가 생성되며, 이 과정에서 두 입자의 정지질량에 해당하는 에너지가 광자의 에너지로 전환된다.

즉, 적어도 특정한 조건에서는 질량을 가진 입자들이 질량이 없는 광자로 전환되는 반응이 존재한다.

그렇다면 모든 물질도 같은 방식으로 완전히 전환할 수 있을까?

여기에서는 조금 더 복잡한 문제가 나타난다.

전자 하나만을 아무런 조건 없이 광자로 바꿀 수 있는 것은 아니다. 에너지와 운동량뿐 아니라 전하와 같은 다른 물리량의 보존법칙도 만족해야 하기 때문이다.

또한 물질과 반물질이 반응하더라도 항상 모든 에너지가 곧바로 광자로만 방출되는 것은 아니다.

따라서 물질이 에너지로 전환될 수 있다는 사실과 모든 물질을 언제나 질량이 없는 입자로 완전히 바꿀 수 있다는 주장은 구분해야 할 것이다.

그렇지만 이러한 설명을 접하면서 내가 처음 가졌던 의문을 조금 더 정확하게 표현할 수 있게 되었다.

내가 궁금했던 것은 단순히 빛에 질량이 있는가라는 문제가 아니었다.

질량을 가진 물질이 다른 형태의 에너지로 전환될 수 있다면, 그 에너지는 어떤 입자나 물리적인 상태로 존재하며 질량과 어떠한 관계를 가지는가?

빛은 그 질문을 생각하게 만든 출발점이었을 뿐이다.

그리고 이번 대화를 통해 빛뿐 아니라 글루온과 같은 질량이 없는 입자도 존재하며, 뮤온이나 쿼크처럼 질량을 가진 입자들도 있다는 사실을 다시 구분하게 되었다.

에너지는 특정한 입자의 이름이 아니고, 빛 역시 에너지 자체와 동일한 개념은 아니다.

결국 물질과 에너지의 관계를 이해하기 위해서는 입자의 종류와 상호작용, 에너지와 운동량의 관계를 함께 살펴볼 필요가 있는 것 같다.

3. 마무리

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빛이 물체를 밀어내는 힘을 측정했다는 유튜브 영상을 보면서 과거에 공부했던 양자역학과 원자 모형에 관한 생각을 다시 떠올리게 되었다.

고등학교 시절에는 화학을 통해 원자와 전자의 구조를 배우면서 물질이 실제로 어떤 모습으로 존재하는지 궁금해했다.

전자구름과 파동함수, 불확정성 원리를 공부하면서 우리가 관찰하는 결과가 물질의 실체를 얼마나 정확하게 보여주는 것인지 의문을 가졌던 기억도 있다.

그리고 이러한 관심은 빛의 입자성과 파동성, 질량과 에너지의 관계에 관한 생각으로 이어졌다.

나는 과거에 질량을 에너지가 모여 있는 형태라고 생각했다.

어느 정도는 직관적인 생각이었지만, 이번에 다시 살펴보니 질량과 에너지의 관계는 그렇게 단순하지 않았다.

광자는 불변질량이 0이지만 에너지와 운동량을 가지고 있으며, 그러한 운동량을 물체에 전달함으로써 힘을 가할 수 있다.

또한 질량이 없는 입자들로 이루어진 물리계도 전체적으로 질량을 가질 수 있고, 질량을 가진 입자가 다른 형태의 에너지로 전환되는 과정도 존재한다.

그렇다면 우리가 일반적으로 생각하는 질량이라는 것은 무엇일까?

그리고 물질과 에너지가 서로 전환될 수 있다는 사실은 물질의 본질에 관해 무엇을 알려주는 것일까?

물론 이러한 질문에 내가 새로운 답을 제시할 수 있다고 생각하지는 않는다.

현대 물리학은 이미 이러한 현상을 설명하기 위한 수많은 이론과 실험 결과를 가지고 있으며, 나는 그중 극히 일부만을 이해하고 있을 뿐이다.

그럼에도 과거에 배웠던 내용을 다시 떠올리고 그 의미를 고민하는 과정은 흥미로웠다.

특히 이전에는 단순히 이해하기 어려웠던 부분을 질문으로 남겨두었다면, 이번에는 AI와의 대화를 통해 그 질문을 조금 더 명확하게 표현할 수 있게 되었다.

나는 과학이라는 학문이 인간이 이전에는 관찰하거나 이해할 수 없었던 것을 조금씩 알아갈 수 있도록 시야를 넓혀 주는 학문이라고 생각한다.

그리고 그 과정에서 우리가 당연하게 받아들였던 개념조차 다시 생각하게 만드는 것이 과학의 재미가 아닐까?

이번 글 역시 하나의 정답을 제시하려는 목적보다는 빛에 관한 작은 호기심에서 출발해 과거의 생각을 다시 살펴본 기록에 가깝다.

앞으로 더 많은 것을 배우고 이해하게 된다면 지금의 생각도 다시 달라질 수 있을 것이다.

당신은 질량과 에너지의 관계를 어떻게 생각하는가?