맥스 플랑크가 양자를 꺼낸 이유

맥스 플랑크는 혁명보다 질서를 믿었다

양자역학의 첫 문을 연 사람은 혁명을 꿈꾸지 않았다.

맥스 플랑크는 책상 위 종이를 반듯하게 맞추는 사람에 가까웠어요.
세상이 엉망으로 보일수록, 더 깊은 곳에는 깔끔한 법칙이 있다고 믿었죠.

그는 19세기 독일 물리학의 엄격한 분위기 속에서 자랐어요.
당시 물리학은 자연을 거대한 시계처럼 봤습니다.
부품이 맞물리면, 결과도 정확히 따라온다는 믿음이었죠.

플랑크는 그 믿음을 사랑했어요.
새 세상을 부수고 싶은 사람이 아니라, 오래된 집의 기둥을 끝까지 붙잡고 싶은 사람이었어요.
그래서 이상합니다.

양자역학은 자연이 동전처럼 딱딱 끊어진 단위로 움직일 수 있다는 생각에서 출발해요.
그런데 그 문을 연 사람은 “모든 것은 부드럽고 질서 있게 이어진다”고 믿던 플랑크였어요.

오늘날로 치면 이렇습니다.
오래 쓰던 가계부 계산법이 자꾸 100원씩 안 맞아요.
대부분은 계산법을 버리겠지만, 플랑크는 밤새 이렇게 중얼거리는 사람이었을 겁니다.

“계산법이 틀린 게 아니야.
어딘가 내가 아직 못 본 규칙이 있을 거야.”

그 고집이 혁명의 문고리를 잡았습니다.
하지만 플랑크는 아직 몰랐어요.
자기가 지키려던 질서가, 자기 손에서 가장 크게 흔들릴 거라는 걸요.

1900년 검은 물체가 물리학을 막다른 길로 몰았다

물리학을 흔든 것은 별이 아니라 뜨거운 물체가 내는 빛이었다.

문제의 이름은 흑체복사예요.
흑체란 빛을 거의 다 빨아들이는 이상적인 물체를 뜻해요.
복사는 뜨거운 것이 빛과 열을 내보내는 일을 말합니다.

말은 어렵지만 장면은 쉽습니다.
쇳덩이를 달구면 처음에는 붉게 빛나요.
더 뜨거워지면 노랗고 희게 빛나죠.

이 익숙한 변화가 물리학자들을 막다른 길로 몰았어요.
전구, 난로, 온도계처럼 평범한 물건 하나가 교과서 전체를 흔든 셈입니다.
거대한 우주가 아니라, 실험실 안 작은 빛이 문제였어요.

당시 물리학 공식들은 어느 구간에서는 잘 맞았어요.
하지만 다른 구간으로 가면 갑자기 어긋났습니다.
마치 지도는 맞는데, 골목 하나를 지나면 길 전체가 사라지는 것 같았죠.

플랑크는 그 어긋난 지점을 붙잡았어요.
그는 “자연은 질서정연해야 해”라고 믿었으니까요.
그래서 문제를 피하지 않고, 가장 불편한 숫자 앞에 오래 앉아 있었습니다.

여기서 반전이 생깁니다.
플랑크가 찾던 것은 새 철학이 아니었어요.
그는 그냥 뜨거운 물체가 어떤 색으로 빛나는지 설명하고 싶었습니다.

그런데 그 사소한 빛이 말하고 있었어요.
“당신들이 믿는 자연의 계산법, 어딘가 빠져 있어.”

플랑크가 작은 에너지 덩어리를 어쩔 수 없이 꺼냈다

플랑크가 꺼낸 양자는 확신이 아니라 궁지에서 나온 선택이었다.

1900년 12월 14일, 플랑크는 에너지가 물처럼 아무 양으로나 흐르는 게 아니라고 가정했어요.
대신 에너지가 작은 동전처럼 일정한 덩어리로 오간다고 놓아 봤습니다.
훗날 이 날은 양자론의 탄생일로 불려요.

양자는 아주 작은 에너지 묶음이라는 뜻이에요.
물컵에 물을 연속으로 따르는 게 아니라, 구슬을 하나씩 넣는 것에 가깝습니다.
플랑크의 계산에서는 자연이 그 구슬 단위로 에너지를 주고받아야 숫자가 맞았어요.

그런데 플랑크는 이걸 기쁘게 받아들이지 않았습니다.
그에게 이 생각은 멋진 발견이 아니라, 어쩔 수 없이 끼워 넣은 조각이었어요.
퍼즐이 도저히 안 맞아서 “말도 안 되지만 이 조각을 한번 넣어 보자”에 가까웠죠.

그 조각을 넣자 공식이 맞아떨어졌습니다.
너무 잘 맞았어요.
그래서 더 불편했습니다.

플랑크는 훗날 이 선택을 “절망적인 행동”처럼 돌아봤다고 알려져 있어요.
그 말에는 승리감보다 곤란함이 묻어납니다.
“나는 자연을 부수려던 게 아니었어.
그저 계산을 살리려 했을 뿐이야.”

여기서 역사는 자주 그렇듯 잔인하게 움직입니다.
사람은 임시방편으로 문을 열었는데, 그 문 뒤에 새 시대가 서 있었거든요.
플랑크는 기존 물리학을 구하려고 작은 에너지 덩어리를 꺼냈습니다.

하지만 그 작은 덩어리가 기존 물리학의 바닥을 두드리기 시작했어요.

아인슈타인이 플랑크의 계산을 현실로 바꿨다

플랑크가 조심스럽게 놓은 가정은 아인슈타인의 손에서 현실이 되었다.

1905년, 알베르트 아인슈타인이 그 가정을 더 멀리 밀고 나갑니다.
아인슈타인은 스위스 특허청에서 일하며 논문을 쓰던 젊은 물리학자였어요.
그는 플랑크가 계산을 위해 꺼낸 양자를 빛 자체에 적용했습니다.

문제는 광전효과였어요.
광전효과란 빛을 금속에 비추면 금속 안의 전자가 튀어나오는 현상입니다.
쉽게 말해 빛이 금속을 때리자, 아주 작은 알갱이들이 튀어나오는 일이에요.

기존 생각으로는 빛이 파도처럼 밀려오는 것에 가까웠습니다.
파도가 세게 오래 치면 물건이 움직이듯, 빛도 충분히 강하면 전자가 나와야 할 것 같았죠.
그런데 실험은 그렇게 말하지 않았습니다.

빛이 아무리 밝아도 색이 맞지 않으면 전자가 안 나왔어요.
반대로 특정한 색의 빛은 약해도 전자를 튀어나오게 했습니다.
이건 물대포의 힘 문제가 아니라, 공 하나하나의 에너지 문제처럼 보였어요.

아인슈타인은 여기서 플랑크의 조각을 집어 들었어요.
“빛도 덩어리처럼 움직인다고 보면 되잖아.”
플랑크가 조심스럽게 계산대 위에만 올려 둔 생각을, 아인슈타인은 자연의 실제 규칙으로 밀어붙인 겁니다.

오늘날 회사로 치면 이런 장면이에요.
누군가가 급해서 메모지에 임시 규칙을 적어 둡니다.
그런데 다음 사람이 그 메모를 보고 회사 운영 방식을 통째로 바꿔 버립니다.

플랑크는 아마 당황했을 겁니다.
그는 양자를 임시 계산법처럼 다루고 싶었어요.
하지만 아인슈타인은 “아니, 이건 그냥 자연이 그렇게 생긴 거야”라고 말하는 쪽으로 갔습니다.

결국 양자는 물러설 곳을 잃었습니다.
뜨거운 물체의 빛에서 시작된 작은 가정이, 빛 자체의 정체를 건드렸어요.
질서를 지키려던 플랑크의 손끝에서 나온 조각이, 세상에게 이렇게 묻기 시작한 겁니다.

자연은 정말 우리가 생각한 것처럼 매끄럽게 이어져 있을까요?