2-3. 반사, 굴절, 회절, 간섭 — 빛의 파동 현상

빛은 정말로 파동인가? — 증거를 찾아서

수영장에서 물결파를 관찰해 본 적이 있는가? 물결이 벽에 부딪히면 되돌아오고(반사), 얕은 곳으로 들어가면 방향이 꺾이며(굴절), 좁은 틈새를 지나면 뒤쪽으로 퍼지고(회절), 두 물결이 만나면 더 커지거나 사라진다(간섭). 이것은 파동이라면 반드시 보여야 하는 행동이다.

만약 빛이 정말로 파동이라면, 빛도 이 네 가지 행동을 모두 보여야 한다.

그런데 역사적으로 이것은 쉽게 받아들여지지 않았다. 뉴턴은 빛이 작은 알갱이(입자)의 흐름이라고 주장했다. 빛이 직진하는 성질, 그림자가 또렷하게 생기는 성질이 입자의 행동과 잘 맞는 것처럼 보였기 때문이다. 파동이라면 장애물 뒤로 돌아 들어갈 텐데, 빛은 그러지 않는 것처럼 보이지 않았나?

하지만 17세기의 네덜란드 물리학자 크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens)는 빛이 파동이라는 주장을 굽히지 않았다. 그리고 19세기 초, 토머스 영(Thomas Young)의 결정적인 실험이 마침내 이 논쟁에 종지부를 찍었다.

이 절의 핵심 질문: 빛이 파동이라는 것을 어떻게 증명할 수 있을까? 반사, 굴절, 회절, 간섭이라는 네 가지 현상은 어떻게 파동의 증거가 되는가?

앞 절에서 우리는 전자기 스펙트럼의 광활한 세계를 여행했다. 전파부터 감마선까지 모두 같은 전자기파이며, 차이는 주파수(파장)뿐이라는 것을 배웠다. 이제 이 전자기파가 물체를 만났을 때 — 거울에 부딪히거나, 물속에 들어가거나, 좁은 틈을 지나가거나, 다른 파동과 만날 때 — 어떤 일이 벌어지는지를 알아볼 차례이다. 이 네 가지 현상은 모두 파동이기 때문에 일어나는 것이며, 맥스웰이 예측한 전자기파의 본성을 가장 선명하게 드러내준다.