맥스 플랑크 양자 가설, 에너지가 레고 블록처럼 쪼개진다는 발견

과학자들이 '빛나는 쇳덩이' 하나를 설명 못 해서 머리를 쥐어뜯던 시절

쇠를 불에 달구면 처음엔 빨갛게, 점점 더 뜨거워지면 노랗게, 나중엔 하얗게 빛나잖아요? 1800년대 말, 과학자들은 이 단순한 현상을 수학 공식으로 설명하려고 했어요. 그런데 아무리 계산을 해도 답이 안 맞는 거예요.

당시 과학자들은 에너지가 물처럼 끊김 없이 흐른다고 믿고 있었어요. 수돗물 틀면 졸졸졸 이어지듯, 빛 에너지도 부드럽게 연결된 흐름이라고 생각한 거죠. 이 믿음으로 계산하면, 뜨거운 쇳덩이가 내뿜는 빛의 양이 무한대로 커져 버렸어요. 실제로는 그런 일이 절대 안 일어나는데 말이에요.

이 황당한 결과에 과학자들은 '자외선 파탄'이라는 이름까지 붙였어요. 시험에서 분명 공식대로 풀었는데 답이 말도 안 되게 나오는 느낌, 상상이 되죠? 물리학 역사상 가장 창피한 오답이었어요. 수백 명의 천재들이 분필을 부러뜨리고, 종이를 구기며 머리를 쥐어뜯었지만 아무도 해결하지 못했어요. 바로 그때, 독일의 조용한 물리학자 한 명이 완전히 다른 방향에서 생각하기 시작했어요.

에너지는 수돗물이 아니라 사탕 자판기였다 — 딱딱 끊어져서만 나온다!

그 조용한 물리학자가 바로 맥스 플랑크예요. 1900년, 42살이던 플랑크는 모두가 당연하다고 여기던 상식 하나를 뒤집어 버렸어요. "에너지는 물처럼 흐르는 게 아니라, 딱딱 끊어진 덩어리로만 나온다!"라고 선언한 거예요.

사탕 자판기를 떠올려 보세요. 동전을 넣으면 사탕이 반 개 나오거나 0.7개 나오는 일은 없잖아요. 무조건 1개, 2개, 3개처럼 정수 단위로 떨어져요. 플랑크는 에너지도 똑같다고 말했어요. 에너지에는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 알갱이가 있고, 이 알갱이를 '양자(quantum)'라고 이름 붙였어요. 쉽게 말하면 에너지의 레고 블록인 셈이에요.

이 아이디어를 공식에 넣자 마법 같은 일이 벌어졌어요. 빛나는 쇳덩이의 색깔 변화가 딱딱 맞아 떨어진 거예요! 수백 명이 수십 년간 못 풀던 문제가 레고 블록 하나로 풀려 버렸어요. 그런데 정작 플랑크 본인도 이 결과가 너무 파격적이라 자기 발견을 반쯤 의심했다고 해요. 이 조심스러운 발견이 물리학 전체를 얼마나 뒤흔들었는지, 그건 상상 이상이었어요.

이 한 마디가 물리학 교과서를 통째로 다시 쓰게 만들었다

플랑크의 양자 아이디어는 과학계에 지진을 일으켰어요. 수백 년 동안 쌓아온 물리학 교과서가 말 그대로 갈라져 버린 거예요. 뉴턴 시대부터 이어져 온 '자연은 매끄럽고 연속적이다'라는 대원칙이 한순간에 무너졌거든요.

플랑크의 발견 이후 천재 과학자들이 줄줄이 등장했어요. 아인슈타인은 빛이 양자 알갱이(광자)로 이루어져 있다는 걸 증명했고, 보어는 원자 안에서 전자가 계단을 오르내리듯 딱딱 끊어진 궤도만 돈다는 걸 밝혀냈어요. 하이젠베르크와 슈뢰딩거는 아예 새로운 수학 체계를 만들었고요. 이 모든 혁명의 출발점이 플랑크의 레고 블록이었어요.

플랑크는 1918년 노벨 물리학상을 받았어요. 하지만 그의 인생은 순탄하지 않았어요. 두 차례의 세계대전을 겪으며 가족을 잃는 비극을 견뎌야 했거든요. 그럼에도 플랑크는 끝까지 과학을 놓지 않았어요. 그가 열어놓은 양자역학이라는 문은, 놀랍게도 지금 여러분의 주머니까지 이어져 있어요.

네 주머니 속 스마트폰이 지금 이 순간에도 양자의 규칙으로 돌아가고 있다

스마트폰 안에는 반도체 칩이 들어 있어요. 이 칩은 전자가 에너지 계단을 오르내리는 양자역학의 원리로 작동해요. 플랑크가 '에너지는 끊어진 덩어리'라고 말하지 않았다면, 반도체를 설계하는 것 자체가 불가능했을 거예요. 게임도, 유튜브도, 카톡도 없는 세상이었을 거라는 뜻이에요.

그뿐이 아니에요. 병원에서 MRI 찍을 때, LED 조명이 켜질 때, 심지어 태양이 빛을 내는 원리까지 전부 양자역학이에요. 우리가 매일 쓰는 기술의 약 30%가 양자역학 없이는 만들 수 없다는 연구 결과도 있어요.

플랑크는 남들이 당연하다고 넘긴 것을 "정말 그런가?"하고 의심했어요. 물이 졸졸 흐르듯 에너지도 당연히 흐른다는 상식을 뒤집었죠. 여러분도 수업 시간에, 일상에서 "이건 원래 이런 거야"라고 넘기는 순간이 있을 거예요. 그때 한 번만 "진짜?"라고 물어보세요. 120년 전 플랑크가 딱 그 한마디로 세상을 바꿨으니까요.