화려한 ......
■ 빛의 개요
□ 빛 이론의 역사
. 빛은 파동이다
. 스넬(1621) - 굴절법칙
. 그리말디(1618-1663) - 빛은 파동과 같은 액체(광액)이며 회절도 일어난다.
. 호이겐스(1629-1695) - 빛은 매질(에테르) 속을 진행하는 횡파. 호이겐스 작도법
. 뢰머(1664-1710) - 빛의 진행속도가 일정 함을 발견.
. 베르누이(1710-1790)와 오일러(1707-1783) 파동설을 지지
. 영(1773-1827) - 빛의 파동설을 다시 부활 빛은 공간을 가득채운 에테르 속을 통과하는 종파
. 프레넬(1788-1827) - 빛에 관한 모든 현상은 빛이 횡파라는 가설로 설명된다고 함
. 브루스터(1781-1868) - 반사에 의한 편광의 발견. 후에 빛을 횡파로 보면 해석이 됨을 알게 됨
. 피조, 푸코, 브래들리(849년-1862) - 정확한 빛의 속도 측정 실험을 함
. 빛은 입자이다
. 데카르트(1637 년) - 빛이 빠른 직선 운동을 하는 미립자의 흐름이라는 생각
. 뉴튼 1668 년 최초의 반사망원경 설계.
1672 년 프리즘으로 백색광의 분해 연구.
1704 년 '광학'에서 빛이 미세입자로 구성 되어 있고 발광체에서 복사한다고 봄.
뉴튼 이후 약 1 세기간 빛의 입자설이 지지 됨
. 플랑크(Planck) - 흑체복사를 설명하기 위해 에너지 양자 가설을 도입함
. 아인시타인 - 1905 년 빛은 파동으로 이루어진 알맹이라는 광량자 가설 제시로 광전효과 설명
빛의 진동수에 비례하는 에너지 입자라는 점에서 뉴튼의 입자설과 다름
. 컴프턴(Compton): 1922 년부터 X 선의 산란 연구로 컴프턴효과의 발견
□ 빛의 역사
자료인용 From : 기상연구소, 조남서
. 스넬 - 굴절에 관한 법칙
. 페르마 - the principle of least time
. 후크 - 빛을 하모닉 파동으로 바라봄(Longitudinal wave)
. 호이겐스 - 빛의 파동설 정립
. 뉴턴 - 프리즘 실험을 통한(최초의 분광) 빛의 성질 규명
빛은 다양한 색을 가진 빛알갱이(스펙트럼)의 모임이다
. 영 - 이중 슬릿 실험 : 빛은 파동이다(transverse wave)
. 레이라이&진스 - UV Catastrophe
. 플랑크 - h라는 상수 도입, Energy Quantization, photon
. 컴프턴 - 단색광의 산란 실험, 빛의 운동량 증명
빛의 입자-파동 이중성 (Duality)
□ Quantum Physics의 개괄
. Nuclear Structure
. Rutherford - 원자핵+전자
. N.Bohr - 각운동량의 양자화(궤도함수)
. de Broglie - 물질파
. Plank의 플랑크 상수 h의 도입
. Einstein의 광전효과 해석
. 슈뢰딩거와 하이젠버그의 양자역학
. 슈뢰딩거 - 파동역학
. 하이젠버그 - 행렬역학
□ Kirchhoff의 법칙 (열복사)
. 높은 온도에서 Blackbody가 방출하는 파장의 빛을 낮은 온도에서는 흡수한다
●
고온에서 →→ 특정파장의 빛(λ) 을 복사 →→
↓ ↓
○
저온에서 특정파장의 빛(λ) 만 흡수 →→
. 양자역학의 관점에서, Kirchhoff의 법칙
한 원자 내부의 에너지 준위는 띄엄띄엄하다
들뜬 상태
특정파장의 빛(λ) →→ △E
바닥상태
△E = h ω = h c / λ
외부에서 △E에 해당하는 파장 λ
공명 (Resonance)에 의한 흡수 방출이 일어남
º 들뜬 상태
특정파장의 빛(λ) →→ △E ↑ 전자가 공명에 의한 들뜸
º 바닥상태
º 들뜬 상태
에너지 준위에 해당하는 △E ↓ →→ △E 빛(λ) →→
에너지방출 º 바닥상태
■ 빛.열의 역학이론과 뉴턴의 운동 법칙
F.A울프 "기계론적 우주관의 종말" 중에서 발췌
□ 자연 현상을 단순히 관찰하던 시대가 지나가고, 사물을 탐구
과학자들이 전체 속의 부분들을 조심스럽게 연구하면서 물리학의 세계는 더욱 단순해지고 이해할 수 있는 것으로 되었다. 그리고 이 단편들을 종합함으로써 그들은 어떤 복잡한 운동이라도 이해할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 더 나아가서 그들은 나무의 성장도 분자와 원자의 운동 법칙에 따른다고 믿었다. 그들의 견해는 나무만을 세심하게 연구해도 숲을 볼 수 있다는 것이었다., 그러나 숲은 결국 숲일 뿐, 아직도 원자와 분자의 운동에 의해 어떻게 나무가 성장해 가는지 모르고 있었다.
그들은 뉴턴의 운동 법칙을 우주의 최고 법칙으로 믿었다. 하지만 그 법칙의 틀을 조심스럽게 살펴보면 미묘한 가정 ― 관찰자는 관찰 현상에 간섭하지 않는다는 가정이다 ― 이 전제되어 있음을 알 수 있다. 관찰자는 '저 밖'에 있는 것을 관찰할 뿐이지 그것에 영향을 주지 않는다는 것이다. 따라서 뉴턴의 운동 법칙은 물질 세계를 거대한 시계 장치로 보고 있는 셈이다. 시계 장치는 여러 부분으로 분해될 수 있으며 다시 짜 맞추어질 수 있다. 그리고 재조립된 시계는 전과 같이 작동한다. 이러한 뉴턴의 운동 법칙은 우리에게 다소 생소한 '대칭성'을 제시해 주었다. 시계는 미래를 향해 움직이는 것처럼 과거로도 작동할 수 있다는 대칭성이 그것이다. 연속성의 수학으로 묘사된 뉴턴의 법칙에 의하면 미래는 이미 완전하게 결정된 것이며 예측할 수 있는 것이다.
이 운동의 법칙에 따라 현재를 알고 과거를 추정할 수 있게 되었다. 그러나 과거의 추정은 뉴턴의 운동 방정식에 내재해 있는 '시간 대칭성'에 입각한 것이었으며, 희미한 인간의 기억에 의거한 추정은 아니었다. 과거는 현대와 연속적으로 연결되어 있다. 미래 또한 현재와 연속적으로 연결되어 있다. 이처럼 모든 것은 결정되어 있었으며, 19세기까지 이성을 중요시하던 '기계주의 시대'는 절대적으로 신봉하던 시대였던 것이다.
그러나 19세기말이 되면서 새롭지만 다분히 고정적인 자연관이 출현하기 시작했다. 그것은 두 가지 불가사의한 사건으로부터 비롯되었다. 첫 번째 사건은, 빛이 매질 없이도 전파된다는 사실이 발견되면서 빛에 대한 역학적 모형의 결함이 드러난 사건이었으며, 두 번째는,뜨겁게 달구어진 물질에서 방출되는 빛의 색깔에 관한 문제 ―흑체 복사 현상― 였다. 방출되는 빛의 색깔은 물체의 기계적·역학적 운동이나 진동에 의해서는 결코 설명될 수 없었다.
빛과 열에 관한 이 불가사의한 현상이 발견된 이후로, 끊임없는 분석 정신을 통하여 양자 역학이 발견되면서 '확실성의 시대'의 탄탄한 기반이 흔들리기 시작했다. 그러나 확실성을 신봉하던 물리학자들의 노력이 없었다면 양자 역학은 결코 등장하지 못했을 것이다.
......
□ 빛과 열의 역학적 이론과 그 결함
19세기 말경 기계적 우주관은 완벽하게 완성되었다. 과학자들은 우주를 모두 이해했다고 생각했으며, 뉴턴적 기계 모형은 아리스토텔레스가 단순히 기계만으로는 설명할 수 없다고 생각했던 특성까지 포함한 모든 것을 설명해 주었다. 따라서 과학자들은 물질 우주를 여러 개의 부분으로 분할하여 기계론적으로 설명하려고 하였다. 그렇지만 빛과 열에는 여전히 문제가 있는 것 같았다.
숯불, 산수소 불꽃, 달구어진 쇳덩이 등과 같이 뜨거운 물체가 내의 빛의 색깔은 어두운 빨강에서부터 파르스름한 색깔에 이르기까지 크게 다르다. 이 사실은 색깔이 온도에 따라 다르다는 사실을 의미한다. 어쨌든 파란 부분이 가장 뜨거운 곳이므로 조심해야 한다.
각 온도별로 방출되는 빛의 스펙트럼을 분석함으로써 스펙트럼의 색 분포 변화로 인해 물체가 내는 빛의 색깔 변화가 결정된다는 사실이 밝혀졌다. 물체는 뜨거워질수록 점차 흰색으로 빛나게 되며, 스펙트럼의 색 분포는 무지개와 같은 균형을 갖게 된다.
물체의 온도와 방출되는 빛의 스펙트럼 사이의 관계는 역학적으로 설명되어야 한다. 1800년의 게이 뤼삭의 업적 이래로 과학자들은 높은 온도란 큰 운동 에너지, 즉 더 빠른 운동과 관계있는 것임을 잘 알고 있었다. 물체는 원자로 구성되어 있고, 열을 가하면 원자가 빠르게 진동할 것이다. 따라서 달궈진 물체가 발하는 빛의 색깔은 그 물체를 구성하고 있는 원자 - 진동자라고도 부른다. - 들의 진동 운동을 통하여 설명되어야 할 것이다. 이때 빛의 진동수는 바로 진동자의 진동수와 같아야 한다.
맥스웰에 의하여 빛이 전자기적 진동의 일종임이 밝혀진 이래로, 과학자들은 뜨거운 물체가 발하는 빛의 색깔 변화는 진동자의 서로 다른 진동수에 기인한 것이라고 생각하기 시작했다. 이리하여 붉은빛은 푸른빛보다 더 느리게 진동한다고(낮은 진동수를 갖고 있다고) 생각하였다. 비록 에테르를 찾으려는 시도가 점차 미궁에 빠져들고 있었지만, 과학자들은 색깔과 진동자의 진동수가 서로 관련되어 있음을 깨닫고 있었다.
뜨거운 물체가 내는 빛의 색깔도 19세기 말에는 이미 잘 알려져 있었다. 당시 음파 연구의 전문가였던 레일리 경은 뜨거운 물체가 내는 빛을 뉴턴 역학적으로 설명하려 했다. 그의 이론은 빛의 파동론에 근거한 것이었다. 그의 이론에 의하면 뜨거운 물체가 발하는 빛 에너지는 차가운 물체가 발하는 빛 에너지보다 높은 진동수로 방출되어야만 했다. 그 이유는 파동성 때문이다. 파동의 진동수는 파장과 연관되어 있다. 진동수가 높아질수록 파장은 짧아진다. 크기가 일정한 상자 안에 빛의 파동을 집어넣는 경우를 상상해 보자. 파장이 긴 빛보다는 파장이 짧은 빛이 상자에 들어갈 확률이 크다. 이러한 기하학적 요인 때문에 뜨거운 물체는 긴 파장의 빛보다 짧은 파장의 빛을 더 쉽게 방출할 수 있다. 그 결과 달구어진 부지깽이는 붉은색보다는 푸른색으로 빛나려고 하고, 푸른색보다는 보라빛으로 빛나려 하며, ……이 과정은 끝없이 진행되어 마침내 뜨거운 물체는 자외선보다 더 짧은 파장으로 빛나려 하게 된다. 즉, 모든 뜨거운 물체는 자외선 너머의 빛으로 열 에너지를 방출하려는 경향을 갖고 있다.
이것을 우리는 `자외선 파탄'이라 부른다. 그러나 자외선 파탄은 오직 이론적으로만 존재하는 것이다. 어느 누구든 성냥불을 켜고 그 불꽃을 볼 수 있다. 레일리 경의 이론에 의하면 성냥불은 눈에 보이지 않는 자외선으로 빛나야 한다. 그러나 성냥불은 매우 선명하게 보인다. 이와 같이 뉴턴적 역학 이론으로는 뜨거운 물체의 복사 현상을 설명 할 수 없었다.
......
F.A울프 "기계론적 우주관의 종말" 중에서 발췌
■ 광의 본성은 어떠한 구조적 형상을 갖는가? * 김영식님 글 * 기본가설에 대한 과학적 입증은 모호함 * 빛이나 전자파를 설명하는데 왜 매질(바탕질)을 필요로 하는지를 역설적으로 설명한다고 봄 초보자의 입장에서 빛의 특성을 이해하기 위한 자료로서 발췌하였음
기존의 양자역학에서는 광(전자기파)의 본성이 입자모형과 파동모형을 동시적으로 갖는 광양자의 형태로 인식하고 있습니다. 그러나 광양자가 갖는 파동모형과 입자모형의 이중성을 하나의 형태로 묶은 형상은 양자역학의 입장에서 아직까지도 분명하게 제시되지 않고 있습니다. 특히 광양자가 갖는 파동모형과 입자모형의 이중성을 하나의 형태로 묶은 형상은 물리적 구조로서 존재할 수 없습니다. 즉 파동모형과 입자모형이 하나의 형태로 묶어지는 형상은 물리적 구조로서 불가능하다는 것입니다.
이 글의 입장에서 설명되는 광(전자기파)의 물리적 구조는 다음과 같은 형태로 표현됩니다. 이 글의 입장으로 표현되는 광의 본성은 기존 물리학의 입장으로 인식하는 파동모형이나 입자모형을 갖지 않습니다. 다만 광의 본성이 파동모형이나 입자모형에서 나타날 수 있는 효과적 특성을 가지고 있을 뿐입니다. 즉 광의 현상적 작용이 파동모형이나 입자모형과 같은 행동을 보여줄 뿐이지, 광의 본성이 파동적 구조나 입자적 구조를 직접 갖지 않았다는 것입니다.
이 글의 입장에서는 우주공간의 모든 영역이 실체적 요소의 물질로 가득 채워져 있다는 주장을 펴고 있습니다. 우주공간의 모든 영역에 가득 채워진 실체적 요소의 물질은 필자의 입장에서 편의상 바탕질이라 표현하고 있습니다. 이 바탕질은 고전 물리학에서 오직 광파의 전파매질만으로 가정되었던 에테르(Ether)와 유사한 의미로 비교될 수 있으나, 이들의 물성과 기능적 역할은 많은 차이를 갖습니다.
우주공간의 바탕질이 초고밀도로 밀집되면 입자모형의 소립자가 탄생되고, 또한 소립자의 바탕질이 해체적으로 붕괴되면 우주공간의 바탕질로 분산됩니다. 즉 우주공간의 바탕질과 소립자의 바탕질은 존립상태가 상호 전환되는 형질적 호환성을 갖습니다. 광의 본성은 바탕질의 부피를 독자적으로 갖고 이 광파의 바탕질은 우주공간의 바탕질을 매질로 이용하여 탄성적 밀어내기로 전파됩니다. 즉 광이 우주공간의 바탕질을 매질로 이하여 전파되면 우주공간을 구성하는 바탕질의 공간조직이 광의 부피만큼 탄성적 밀어내기로 변위됩니다. 그러므로 광의 본성은 일정한 부피의 바탕질이 탄성적 밀어내기로 전파되는 상태라고 볼 수 있습니다. 광의 바탕질은 전자에게 흡수되기도 하고, 전자가 흡수한 광의 바탕질은 일시적으로 보존되기도 하고, 전자는 광의 바탕질을 방출하기도 합니다. 광이 우주공간의 바탕질을 매질로 이용하여 탄성적 밀어내기로 전파되는 상황은 다음의 참고를 통하여 더욱 구체적으로 이해할 수 있을 것입니다.
---- 참고 ----
일반적 우주공간의 모든 영역에는 실체적 요소의 물질(바탕질)로 가득 채워져 있다.
일반적 우주공간의 모든 영역에 분포된 실체적 요소의 물질은 모든 물리현상을 발현시키는 원인적 요소가 된다. 왜냐하면 우주공간의 물질은 모든 물리현상의 에너지가 존립되거나 전파되는 과정에서 매질로 이용되기 때문이다. 모든 물리현상의 에너지가 매질로 이용하는 우주공간의 물질은 두 가지의 종류로 분류된다. 우주공간을 구성하는 두 가지의 물질 중, 하나의 종류는 전기력, 자기력, 전자기파 등의 발현과정에서 매질로 이용되고, 다른 종류는 중력, 핵력, 뉴트리노, 관성력, 관성운동 등의 발현과정에서 매질로 이용된다. 모든 물리현상의 에너지는 우주공간의 물질을 매질로 이용하여 전파된다. 입자모형의 소립자도 우주공간의 물질을 매질로 이용하여 매질적 교체방법으로 운동한다. 소립자가 우주공간의 물질을 매질로 이용하여 매질적 교체방법으로 운동하는 경우에, 이 운동 소립자의 모든 기능적 효과는 광속도의 한계비율로 통제되어서 로렌츠 변환의 합산식을 갖는다. 우주공간의 물질을 매질로 이용하는 광(전자기파)의 본성은 기존 물리학의 파동모형이나 입자모형에 대해 많은 차이가 있다. 이 글의 입장에서 유도되는 광의 본성은 다음과 같은 형태로 표현된다.
광의 본성은 실체적 요소의 물질을 독자적으로 갖고, 이 광의 물질은 덩어리모형으로 결집되어 있다. 광의 물질은 우주공간의 물질과 같은 종류의 재질(질료)이다. 광의 본성은 물질의 부피(체적)를 독자적으로 갖고 우주공간의 일부 영역을 배타적으로 점유한다. 광의 본성이 실체적 요소의 물질로 구성되어 있으나 관성력은 갖지 않는다. 일반적 우주공간에 분포된 실체적 요소의 물질은 모든 물리현상의 에너지에 대해 대항적으로 반응하는 광속도의 탄성력을 갖는다. 그러므로 광이 우주공간의 물질을 매질로 이용하여 전파되면, 광의 매질로 이용되는 우주공간의 물질(공간조직)이 광의 부피만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위된다. 특히 광의 부피(체적)만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위되는 우주공간의 물질(바탕질)은 극히 작은 규모의 전류효과(전기력의 이동효과)를 갖는다. 광의 전파작용으로 이루어지는 전류효과는 이 글에서 편의상 광파의 광전류라고 부르겠다.
광파의 광전류(전기의 흐름)가 전파되는 과정에서는 플래밍의 오른손 법칙처럼 광전류의 수직적 회전방향으로 자기력이 발현된다. 광전류의 수직적 회전방향으로 광자기가 발현되는 효과는, 마치 전류가 흐르는 전선의 주위에서 전선의 수직적 회전방향으로 자기력이 발현되는 효과와 동일한 조건으로 비교된다. 광전류의 수직적 회전방향으로 발현되는 자기력은, 이 글에서 편의상 광파의 광자기라 부르겠다.
광파가 갖는 수직적 회전방향의 광자기는 다시 광파의 진행방향으로 광전류를 발현시킨다. 이와 같이 진행방향의 광전류가 수직적 회전방향의 광자기를 발현시키고, 수직적 회전방향의 광자기가 다시 진행방향의 광전류를 발현시키는 효과는 영구적(수 천억 년 이상)으로 반복될 수 있다. 즉 광파의 광전류와 광자기는 상호 전환되는 효과를 영구적으로 갖는다. 광파의 전파과정에서 광전류와 광자기가 영구적으로 전환되는 효과는, 광파의 광전류와 광자기가 동반적으로 발현되는 것을 의미한다. 광파(전자기파)의 전파과정에서 광전류와 광자기가 동반적으로 발현되는 효과는, 광파의 본성이 덩어리모형의 결집체제를 갖는 원인적 요소로 작용한다. 광파의 전파과정에서 광파의 부피만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위되는 우주공간의 물질은 영구적으로 순환되는 광전류와 광자기를 발현시킨다. 또한 광전류와 광자기의 매질로 이용되는 우주공간의 물질도 광전류와 광자기의 작용에 대한 일체적 반응이 일어나서 덩어리모형의 결집체제를 갖는다. 이와 같이 광파의 부피만큼 밀어내기로 변위되는 우주공간의 물질이 바로 광파의 물질을 의미하고, 광파의 물질은 일정한 규모의 부피(체적)로 표현할 수 있다. 광파의 부피는 광전류와 광자기의 분포영역을 의미하고, 광전류와 광자기의 분포영역은 우주공간의 물질을 밀어내기로 변위시키는 종파모형의 파동압력에 반비례한다. 광파가 갖는 종파모형의 파동압력은 광파의 에너지밀도를 나타내고 횡파모형의 파고와 동일한 의미로 비교된다. 여기에서 광파의 에너지밀도(횡파모형의 파고)가 클수록 짧은 파장과 높은 진동수를 갖는다. 즉 광파의 에너지밀도가 커지면 광전류와 광자기의 분포영역이 좁아져서 작은 규모의 부피를 갖게 된다. 광파의 부피만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위되는 우주공간의 물질은, 다시 최초의 광파처럼 광전류와 광자기를 동반적으로 발현시키는 과정에 의해 덩어리모형의 결집체제를 갖는다. 그러므로 덩어리모형의 광파가 우주공간의 물질을 매질로 이용하여 수백 억 광년까지 수 백억 년 동안 전파되더라도, 덩어리모형의 결집체제가 불변적으로 유지(보존)될 수 있다. 광파의 광전류와 광자기가 덩어리모형의 순환적 결집구조를 영구적으로 유지하는 원인은 우주공간의 물질이 광파의 부피만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위되는 효과를 갖고, 광파의 부피만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위되는 우주공간의 물질이 광전류와 광자기를 동반적으로 발현시키기 때문이다. 광파의 광전류와 광자기는 덩어리모형의 순환적 결집체제를 영구적(무한적)으로 유지하고, 광파의 순환적 결집체제가 유지되는 동안에는 광파의 물질이 해체적으로 분산되지 않는다.광파의 광전류와 광자기가 갖는 덩어리모형의 순환적 결집체제는 일종의 솔리톤(Soliton. 부스러지지 않는 파동)처럼 최초의 형태적 조건(파장, 진동수, 파고 등)을 불변적으로 유지한 상태에서 수백 억 광년의 먼 거리까지 무저항으로 전파될 수 있다.
광파의 광전류와 광자기가 갖는 덩어리모형의 결집체제는 기존의 현대물리학에서 입자모형의 광양자로 착각하고 있다. 전자(하전입자)가 방출한 덩어리모형의 광파는 우주공간의 물질을 매질로 이용하여 일방적으로 전파되고, 이 광파의 매질로 이용되는 우주공간의 물질은 광파의 부피(체적)만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위된다. 그러나 전자의 이동(전류효과)으로 생성되는 일반적 전파(장파, 중파, 단파, 초단파 등)는 수면파나 음파처럼 전자의 변위거리만큼 제자리 위치의 전후방향으로 진동한다. 광파의 매질로 이용되는 우주공간의 물질이 광파의 부피만큼 광속도의 탄성적 밀어내기로 변위되는 과정에서는 광전류(전기의 흐름)의 효과를 갖고, 광전류의 본성은 하전입자(전자, 양성자)의 이동으로 이루어지는 일반적 전류와 동일한 조건의 형태로 비교된다.
하전입자의 이동에 의해 일반적 전류(전기의 흐름)의 효과가 일어나는 원인은, 하전입자의 물질(하전입자의 구성성분, 질료)이 우주공간의 원초적 기반(공간조직, 공간구조, 우주공간의 조직체계)에 대해 상대적으로 이동(변위)하기 때문이다. 하전입자의 이동처럼 광파의 물질이 우주공간의 원초적 기반에 대해 상대적으로 변위되는 과정에서도 광전류의 효과가 일어난다. 그러므로 광파의 광전류와 하전입자의 일반적 전류가 일어나는 과정은 동일한 원인적 조건을 갖고, 동일한 작용원리(우주공간의 원초적 기반에 대한 광파나 하전입자의 변위효과)로 해석되어야 한다. 광파의 광전류는 플래밍의 오른손법칙처럼 진행방향의 수직적 회전방향으로 광자기를 발현시키고, 수직적 회전방향의 광자기는 다시 진행방향의 광전류를 발현시켜서, 광전류와 광자기가 상호 전환되는 효과는 영구적으로 반복한다. 이와 같이 광파의 광전류와 광자기가 영구적으로 전환되는 과정에 의해 덩어리모형의 순환적 결집체제를 유지하는데, 이 덩어리모형의 결집체제가 바로 광파(전자기파)의 본성이다. 광파의 광전류와 광자기가 덩어리모형의 순환적 결집체제를 갖는 효과처럼, Υ(감마)선, Ｘ선, 자외선, 적외선, 마이크로파, 단파, 중파, 장파 등의 모든 전자기파도 광전류와 광자기의 순환적 결집체제를 갖는다. 광파의 광전류와 광자기가 갖는 결집체제의 특성을 활용하면, 기존의 현대물리학에서 그동안 양자(입자)모형으로 해석되었던 모든 광학적 현상들(광전효과, 콤프톤효과 등)을 새로운 작용원리에 의해 더욱 구체적이고 명확하게 해석할 수 있다. 또한 기존의 현대물리학에서 그동안 광파의 본성을 횡파의 파동모형으로 해석하였던 편광효과는 물론이고, 그 밖의 간섭현상, 회절현상, 굴절현상 등도 광파의 광전류와 광자기가 갖는 결집체제의 특성을 활용하는 과정에 의해 더욱 구체적이고 명확하게 해석될 수 있다. 하나의 예로서 광파의 광전류와 광자기가 갖는 덩어리형태의 결집체제는 기존의 양자모형처럼 입자적 행동을 한다. 이러한 광파의 입자적 행동은 광전효과와 콤프톤효과의 원인적 요소로 작용한다. 또한 광파의 광전류와 광자기가 외부의 역학적 반응을 받으면 타원형태의 단면으로 변형될 수 있는데, 이 광자기가 갖는 타원형태의 단면은 편광효과의 원인적 요소로 작용한다. 또한 전자가 방출하는 광파의 광전류는 극히 작은 규모의 단면(전자의 직경보다 작은 크기)을 가지고 있으나, 광전류의 수직적 회전방향으로 발현되는 광자기는 넓은 영역으로 분포된다. 광자기가 넓은 영역으로 분포되는 효과는, 광파가 불확정범위를 갖는 원인적 요소로 작용한다. 또한 광파의 광전류와 광자기가 외부의 역학적 반응을 받으면, 콤프톤효과처럼 광전류의 작용압력이 약화될 수도 있고, 광학적 굴절효과처럼 광파의 진행경로가 굽어질 수도 있다. 또한 다수의 광파가 작은 세막을 통과하면 각 광파의 광자기가 진행의 전후방향으로 반발하는 효과를 갖게 되어서, 이들의 모든 광파는 광자기의 분포범위에 해당하는 일정한 간격(광파의 파장)으로 정렬된다. 다수의 광파가 작은 세막을 통과하는 과정에서 이들의 광파가 갖는 전후방향의 간격은 간섭효과의 원인적 요소로 작용한다. 여기에서 광파가 전후방향으로 갖는 광자기의 분포범위는 광파의 파장(전후방향의 간격)을 의미하고, 광파의 파장은 광자기의 에너지밀도(횡파모형의 파고, 종파모형의 파동압력)가 높을 수록 좁아진다. 단 레이저 광파는 최초의 방출 순간부터 전후방향의 간격이 일정하게 정렬된 상태를 갖는다.
이 밖에도 모든 물리현상의 에너지(자기력, 전기력, 핵력, 중력 등)는 예외 없이 우주공간의 물질을 매질로 이용하여 존립되거나 전파되고, 각 에너지의 종류에 따라서 존립방법과 전파방법의 형태만이 다를 뿐이다.
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이 글의 주장처럼 일반적 우주공간의 모든 영역이 실체적 요소의 물질로 가득 채워져 있다면 이 우주공간의 물질이 '마이켈슨-모올리의 간섭계' 실험으로 반드시 검출되었어야 합니다. 그러나 실제적으로 수행된 간섭계 실험에서는 우주공간의 물질을 검출할 수 없었습니다. ......
(인용 : Fm 김영식)
■ 물질파의 의미?
- 역사적 철학적 배경과 함께.
한국과학기술인연합, 소요유
아마 물질파와 슈뢰딩거의 파동함수와의 관계를 좀더 이해하려면 드브로이의 물질파 라는 개념이 어떻게 나왔는지에 대한 (역사적으로) 철학적 배경을 알아야 이해하기 쉽습니다. 19세기까지 서양과학의 자연에 대한 인식은 입자 아니면 파동이었습니다. 아니 둘 중의 하나여야 했습니다. 그런데 이런 '사고'에 '사고'를 친 놈이 빛이었습니다. 뉴톤은 빛을 입자로 생각했지만, 데카르트- 호이겐스, 맥스웰 등이 입자라기 보다는 파동으로 다루어야 한다는 것을 증명하게 됩니다. 그래서 17세기 이후에는 빛을 파동으로 다루게 되었습니다. 그런데 이런 사고에 문제가 발생한 것이 '파동이면 매질이 있어야 한다 (에테르 논쟁 - 아래에 아직도 논쟁하죠?) 와 '흑체복사 문제'였습니다.
빛의 매질논쟁은 결국 로렌츠 - 마이켈슨 & 몰리 - 아인슈타인으로 이어지면서 20세기 초에 상대론으로 발전하게 됩니다. 흑체복사 문제는 물체에 온도가 주어지면 온도에 따른 복사가 방출되는데 그 복사 형태가 빛을 파동으로 봐도 설명이 안되고 - 레일레이, 그렇다고 입자로 봐도 설명이 안- 빈 (Wien)-되었습니다. r이를 해결한 사람이 바로 프랑크였는데, 그는 전혀 다른 방식으로 접근하게 됩니다. 즉 양자라는 것- 즉 입자를 도입하여 파동을 설명하게 됩니다. 즉 입자의 파동성을 본 거죠. 여기서 20세기 양자역학이 출발합니다. 당시 서양적 과학인식론으로는 이게 설명이 안 되는 것이었습니다. 즉 세상은 입자 아니면 파동이어야지 입자 & 파동 이런 자연은 '이상하다'라고 생각했습니다. 그래서 당시 과학계에서 상당히 논란이 되었던 모양입니다. 빛이 월수금은 파동 화목토는 입자로 하자 뭐 이랬다나요 ?
그런데 1905년 아인슈타인이 광전효과 실험을 발표하게 됩니다. 즉 빛에서 파동의 입자성을 보게 됩니다. 여기까지 해서 빛을 예외적인 것으로 하자는 것이 당시 서양과학의 '합리적이고 과학적인' 결론이었습니다. 여기에 또 사고를 치게 된 것이 전자의 파동성 발견 (누구더라 ?) 이었습니다. 이 것은 빛 이외에 양성을 갖는 첫 번째 물질의 발견입니다. 그래서 자연은 파동도 되고 입자도 된다고 생각하기 시작했습니다. 현대 과학적 시각은 자연은 원래 '자연' 인데 인간이 보는 방향에 따라서 입자 혹은 파동으로 나타난다는 것이 현재의 인식론으로 하이젠베르그의 '자기합리화'에 기반을 둡니다. 즉 '인간은 질문방법에 따라 노출된 자연을 본다 (하이젠베르그 - 부분과 전체).
어쨋든지 여기에 생긴 현실적인 문제는 입자와 파동을 어떻게 연결하느냐의 문제인데 프랑스의 드브로이가 먼저 선수를 칩니다. 즉 운동량과 물질파의 파장을 연결하여 입자를 파동으로 (전환) 설명하게 됩니다. 즉 파동의 파장과 운동량이 반비례한다는 것을 발견하게 됩니다. 드브로이가 어영부영하는 사이 덴마아크이 슈뢰딩어와 독일의 하이젠베르그는 어떻게 입자와 파동을 고전역학에 기반 하거나 (슈뢰딩거), 아니면 새로운 수학적 툴로 (하이젠베르그) 수학적으로 연결할 것인가를 고민하게 됩니다.
여기서 아래 제가 소개했던 '프리에 변환'이 적용됩니다. 즉, 파동에서 입자로 '수학적으로 만드는 방법'이 빛 (평면파-파동)이 렌즈를 통과하여 상 (점-입자)을 만드는 방법과 같습니다. 이게 프리에 변환이지요. 즉 평면파 (e^-ipt)가 point (상수)가 되는 프리에 변환입니다.
마찬가지로 전자와 그 물질파와의 관계는 프리에 변환 관계에 있게 됩니다. 여기서 속도, 위치, 운동량 과 같은 물리량이라는 것이 수학적으로 우리가 프리에 공간에서 나타난 기대 값으로 정의 할 수 있게 됩니다. 즉 어떤 오퍼레이터들의 기대 값이 물리량이 되는 것이고 수학적 변환을 나타내는 오퍼레이터라는 의미는 바로 '자연에 대한 인간의 질문 방법 = 실험' 이 됩니다.
따라서 이제 어떤 자연상태는 입자다 파동이다 구별할 필요 없이 다만 그 상태를 나타내는 수학적인 '파동함수 (혹은 상태)'에 우리가 수학적 오퍼레이터- 즉 실험을 하면 우리에게 나타난다고 이해합니다. 다시 말하면 물질파라는 개념은 엄격히 말하면 free particles의 수학적인 파동함수로 이해할 수 있습니다. 그러므로 파동함수라고 하면 이 모두를 포함한 좀더 복잡한 계의 파동적 특성을 나타내는 수학적 표현이다라고 말할 수 있습니다.
슈뢰딩거가 왜 슈뢰딩거 방정식을 도입했나를 이해하려면 고전역학에서 고급수학을 이해해야 합니다 . 즉 라그랑지안 이후에 나오는 헤르미션 오퍼레이터를 이해해야 합니다. 이게 양자역학에서 그대로 쓰입니다. 한편으로 하이젠베르그가 행렬역학을 도입하게 되는데 이는 수소원자의 에너지 천이를 설명하게 되어 수학적으로 슈뢰딩거의 경우가 하이젠베르그 보다 좀더 해석학적인 표현이 됩니다. 이후에 양자역학은 코펜하겐 학파의 보어 그룹과 슈뢰딩거, 하이젠베르그, 파울리등에 의하여 불과 20년 만에 새로운 파라다임을 형성하게 됩니다.
□ 측광량
(Photometric Quantity) 요약
From 건축환경 계획론