한국산학경영연구소 [EBS 빛의 물리학]

EBS 다큐 프라임 Physics of the Light

빛을 통해 본 물리학의 역사와 현재!

위대한 과학자들은 왜 빛에 집착했을까? 갈릴레오는 빛의 속도를 재려 했던 최초의 과학자였으며, 아인슈타인의 상대성이론은 빛에 대한 호기심에서 출발했다. 빛은 시대를 막론하고 물리학의 가장 뜨거운 주제 중 하나였다. 어려운 공식 하나 없이 물리학의 양대 축인 상대성이론과 양자역학을 중심으로 우리를 둘러싼 세계를 움직이는 근원을 탐구해보는 것이 과연 가능할까? 재연을 통해 과학사 속 주요 현장들을 완벽하게 복원하여 다큐멘터리의 사실감과 흥미를 증진하고, CG를 통해 어려운 물리학의 개념과 이론을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 구성하여 물리학이 걸어온 길을 가장 쉽게 보여주는 본격 물리 다큐멘터리를 만나본다.

1. 빛과 시간, 특수상대성이론

내가 빛과 같은 속도로 빛을 따라간다면 어떻게 될까?

갈릴레오 상대성원리에서 나와 상대의 속도를 계산할 수 있다는 데에 주목한 아인슈타인은 만약 사람이 빛 속도로 가면 정지된 빛의 모습도 볼 수 있을지 궁금했다. 그러나 상대적인 속도와 다르게 빛은 불변한다는 것을 깨달았고, 시간을 의심했다. 즉, 아인슈타인은 같은 순간에 내리친 번개가 같은 순간이 아닐 수도 있다고 생각한 것이다. 그렇다면 우리가 믿었던 동시라는 것은 어떤 것일까? 달리는 기차 안에서의 빛 반사 실험을 살펴보면 빛은 한결같고, 변하는 것은 시간이라는 것을 알 수 있다. 눈앞에 보이는 것을 믿지 않는 대신 그 너머에 존재하는 것을 보았던 아인슈타인의 특수상대성이론은 우리를 둘러싼 세계를 어떻게 설명하고 있을까? 아인슈타인이 던졌던 최초의 질문에서 결정적 깨달음을 얻는 순간까지 특수상대성이론의 탄생 과정을 추적해본다.

2. 빛과 공간, 일반상대성이론

무엇이 우리를 아래로 떨어지게 하는가?

아인슈타인의 특수상대성이론은 절대적인 것과 상대적인 것을 완전히 바꿔버렸으나 중력을 적용할 수 없었고, 뉴턴의 만유인력의 법칙은 중력을 명쾌하게 설명하였으나 왜 만물이 서로 잡아당기는지 설명하지 못하는 치명적 결점이 존재했다. 아인슈타인은 떨어진다는 것이란 무엇인가에 대해 의문을 가졌고, 이 간단하고도 단순한 질문은 거장 뉴턴을 향한 도발이 되었다. 아인슈타인은 가속도와 중력이 같은 것임을 깨달았고, 중력은 무한대의 속도로 끌어당기는 순간적인 힘이 아니라 공간의 휘어짐에 따라 만들어지는 힘이라 정의했다. 그리고 아인슈타인의 이러한 이론에 손을 들어준 것은 다름 아닌 별빛이었다. 아리스토텔레스부터 두 천재 과학자 뉴턴과 아인슈타인의 시대를 뛰어넘은 대결까지 과학의 역사와 함께 시작된 질문이었던 중력의 실체를 추적해본다.

3. 빛의 추적자

저 빛은 무엇이고, 얼마나 빠르게 우리에게 오는가?

인간은 지구에서 가장 적극적으로 빛을 만들어 이용하는 존재이다. 그렇다면 우리는 빛에 대해 얼마나 알고 있을까? 우리를 축복하기 위해 먼 곳에서 온 것이라 믿었던 성스러운 빛을 과학의 눈으로 보는 사람들이 생겼고, 빛의 속도를 재고 싶어했던 갈릴레오도 그중 하나였다. 그리고 어둠과 빛이 혼재해 있던 시절 과학의 시선은 빛의 또 다른 본질, 색에 이른다. 엠페도클레스부터 데카르트까지 시대에 따라 색에 대한 생각은 달랐으며, 뉴턴은 프리즘을 이용한 단 하나의 실험으로 빛과 색의 논란에 종지부를 찍었다. 그러나 뉴턴이 프리즘을 통해 봐왔던 빛은 아주 작은 일부에 불과했으며, 전기력과 자기력을 단서로 빛의 실체를 파악한 것은 제임스 클럭 맥스웰이었다. 천상의 빛을 땅으로 가져와 직접 창조해내기까지 빛을 탐구했던 위대한 과학자들을 추적해본다.

4. 빛과 원자

세상은 무엇으로 이루어졌을까?

인류는 오랫동안 세상이 무엇으로 이루어졌는지 답을 찾아왔고, 수많은 과학자가 가설을 만들고 실험했다. 마침내 돌턴은 원자설을 발표했고, 이것으로 세상이 설명되는 것 같았으나 그것은 끝이 아니었다. 빌헬름 뢴트겐과 마리 퀴리가 X선과 라듐을 발견하면서 사람들은 원자의 안이 궁금해지기 시작했다. 이후 톰슨이 전자를 발견하면서 전자는 문명을 지배하게 되었고, 원자 내부 구조를 밝히는 것이 최우선 과제가 되었다. 원자핵을 발견하여 태양계와 닮은 원자 모형을 내놓은 어니스트 러더퍼드와 불연속적인 양자 세계를 발견한 막스 플랑크, 전자와 원자핵이 서로 긴장감을 어떻게 유지하는지 밝혀내며 가장 작은 세계의 문을 열고 지도를 그렸던 닐스 보어까지. 과학자들의 직관과 흥미로운 실험을 통해 조금씩 실체를 드러내는 작지만 우주만큼 넓은 세계를 추적해본다.

5. 빛과 양자

무엇이 그들을 전쟁터로 내몰았나?

1927년 솔베이 회의에 참석했던 29명 중 17명이 노벨상을 받았다. 하지만 이 학회가 유명한 이유는 전자와 광자를 주제로 한 이 회의에서 상대성이론의 창시자 아인슈타인과 양자역학의 대가 보어의 양보 없는 정면 승부가 벌어졌기 때문이다. 원자의 세계에서 전자는 확률로 존재한다는 주장을 이해하기 위해서는 그동안의 상식을 버려야 했다. 아인슈타인에게 이런 해석은 재앙이었다. 미래는 알 수 없다는 것과 인간이 불완전해서 관측하지 못할 뿐이라는 두 개의 세계관이 부딪히는 그것은 전쟁이었다. 지금까지 본 적도 없는 세계를 두고 두 개의 세계가 고집스럽게 부딪혔고, 결국 두 세계의 반복과 대립이 미지의 세계로 가는 문을 열었다. 가장 작은 세계를 바라보는 시선의 대립을 통해 현대 물리학의 핵심인 양자역학의 주요 내용과 발전 과정을 심도 있게 추적해본다.

6. 빛과 끈

궁극의 이론은 정말 있는 것일까?

오랫동안 물리학자들은 궁극의 이론, 만물을 설명하는 오직 한 가지 이론이 있을 것이라 믿어왔고, 실제로 시도도 했다. 뉴턴은 만유인력의 법칙으로 하늘과 땅에서 일어나는 운동이 하나가 된다는 것을 밝혔고, 아인슈타인은 일반상대성이론으로 중력과 특수상대성이론을 하나로 만들었다. 이렇게 세상이 하나의 이론으로 순조롭게 설명되는 듯했으나 양자역학의 등장과 함께 길을 잃게 된다. 큰 세계를 움직이는 법칙과 작은 세계를 움직이는 법칙이 좀처럼 합쳐지지 않았고, 결국 두 이론을 합치기 위해 등장한 것은 끈이론이었다. 네 개의 줄로 간단한 음부터 시작해 복잡한 음악까지 만드는 바이올린처럼 끈도 다양하게 진동해서 온 우주를 만든다는 것이다. 정말 세상 모든 것은 끈으로 이루어졌을까? 물리학의 현주소와 남은 과제들을 살펴봄으로써 지상과제인 단 하나의 이론을 찾아가는 과정을 추적해본다.