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[박기철의 낱말로 푸는 인문생태학]<561> 광자와 음자; 시원의 입자

  • 박기철 경성대 광고홍보학과 교수
  •  |   입력 : 2022-04-25 19:44:29
  •  |   본지 21면
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서양 과학자들은 빛의 속도를 어떻게 알아냈을까? 감명 감탄 감복하지 않을 수 없다. 처음으로 빛의 속도가 무한하지 않고 유한하다고 여긴 갈릴레이(Galileo Galilei 1564~1642)와 조수는 각각 멀리 떨어진 산을 올랐다. 서로의 등불에 반응하는 시간을 재면 빛의 속도를 측정할 수 있다고 생각했다. 미련한 짓이었다. 빛은 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 도는 어마어마한 속력이니 무모한 실험이었다. 당연히 실패했다.

파장이면서 시원적 입자인 광자와 음자
그러나 빛의 속도를 재기 위해 덤빈 위대한 실험이었다. 드디어 뢰머(Ole Rømer 1644~1710)가 빛의 속도를 인류 최초로 계산해냈다. 2억1200만m/s. 피조(Armand Fizeau 1819~1896)는 더 정확하게 계산했다. 3억1300만m/s. 푸코(Jean Foucault 1819~1868)는 훨씬 더 정확했다. 2억9800만m/s. 100여 년 후 1983년 개최된 국제도량형총회에서 정한 빛의 속도 2억9979만2498m/s에 거의 정확히 근사(近似)한 수치였다.

놀라운 탐구력의 성과로 밝혀진 빛의 속도다. 만일 갈릴레이가 빛의 속도를 측정하려던 방법으로 소리의 속도를 측정하려고 했다면 성공했을 것이다. 2억9979만2498m/s, 즉 1초에 약 30만km나 가는 광속에 비하면 음속은 매우 느리기 때문이다. 소리는 1초에 대략 340m밖에 못간다. 빛은 켜자마자 멀리 떨어진 사람 눈에 보이지만 소리는 나자마자 들리지 않는다. 번갯불 빛이 나고 몇 초 후에 천둥소리가 들리며, 산에서 메아리가 들리는 이유다.

빛과 소리는 다 같은 파동이지만 여러모로 차이가 있다. ①빛은 매질 없이도 진공에서도 간다. 소리는 매질이 있어야 간다. ②빛은 전기장과 자기장이 어우러지는 전자기 파동이지만, 소리는 매질 분자들을 힘으로 밀고 가는 역학적 파동이다. ③빛은 파동의 진행방향과 진동방향이 수직인 횡파이지만 소리는 그 진행방향과 진동방향이 평행인 종파다. ④빛의 속도인 광속은 불변일정하다. 언제 어디서나 무조건 빛의 속도는 변함없는(Constant) 상수 C다. 그러나 소리의 속도인 음속은 변화무쌍이다. 분자들 밀도가 높은 고체-액체-기체 순으로 빠르다. 기체에서도 습도 온도 압력에 따라 다르다. ⑤빛보다 빠른 타키온(Tachyon)을 가상할 수 있지만 광속보다 빠른 건 없다. 그러나 음속보다 얼마든지 빠를 수 있다. 1초 음속을 1시간 음속으로 환산하면(340m/s×60분×60초) 약 1224km다. 마하(Ernst Mach 1838~1916)를 따라 지어진 음속 단위인 1마하다. 제트 엔진 장착 초음속 비행기들은 음속을 뚫고 난다. 로켓 엔진 장착 우주선들은 극초음속으로 난다.

이렇게나 빛과 소리는 다른 점이 많지만 같은 점도 있다. 둘 다 파장이면서 입자다. 빛 입자는 광양자인 광자(photon)다. 소리 입자는 음양자인 음자(phonon)다. 빛 광자(光子)인 포톤은 시각에 의해 보여지고, 소리 음자(音子)인 포논은 청각에 의해 들려지는 파장 속 입자, 즉 파장-입자다. 촉각에 의해 만져지고, 후각에 의해 냄새나며, 미각에 의해 맛이 나는 입자는 아니다. 그런데도 허구적 입자는 아니다. 빛이 있으라(창세기 1:3)! 첫째 날 세상은 빛으로부터 시작된다. 그와 같이 나는 들었노라(如是我聞)! 깨달음은 부처님 말씀 소리를 들음으로 시작된다. 결국 제일의 시원(始原)적 입자는 광자이거나 음자이겠다. 시청각을 온전히 살려 제대로 보고 들으며 살자. 예나 지금이나 이 풍진(風塵) 늘 어지러운 세상에서…
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