제5권 · Chapter 1 · 3절

3-3. 질량이 없는 입자: 광자

질량이 없는데 어떻게 존재할 수 있는가?

빛은 이상하다.

손바닥을 햇빛에 내밀면 따뜻하다. 이것은 빛이 에너지를 가지고 있다는 뜻이다. 태양 돛(solar sail)이라는 우주선 개념은 빛의 압력만으로 우주를 항해하겠다는 것인데, 이것은 빛이 운동량을 가지고 물체를 밀어낼 수 있다는 뜻이다. 실제로 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 2010년에 태양 돛 우주선 '이카로스(IKAROS)'를 발사하여, 빛의 압력만으로 가속에 성공했다.

그런데 빛을 이루는 입자 — 광자(photon) — 의 질량은 정확히 0이다.

잠깐. 앞 절에서 우리가 배운 공식을 떠올려 보자.

• 정지 에너지: $E_0 = mc^2$. 질량이 0이면? → $E_0 = 0$.
• 상대론적 운동량: $p = \gamma mv$. 질량이 0이면? → $p = 0$.

질량이 0이니 에너지도 0, 운동량도 0이 되어야 할 것 같다. 하지만 방금 말했듯이 빛은 분명히 에너지와 운동량을 가지고 있다. 뜨거운 햇빛, 물체를 밀어내는 빛의 압력, 금속을 자르는 레이저 — 이 모든 것이 빛의 에너지와 운동량이 0이 아님을 웅변하고 있다.

무엇이 잘못된 걸까?

이 수수께끼를 풀면, 에너지와 운동량과 질량을 하나로 묶는 아름다운 관계식을 만나게 된다. 그리고 이 관계식은 질량이 있는 입자든 없는 입자든, 우주의 모든 입자에 적용되는 궁극의 공식이다.