빛과 같이 모순이 양립하는 하나님의 나라

빛은 입자일까 파동일까? 나는 기존에 빛은 파동이라고 생각했는데, 물리학 교수인 친구가 예전에 레나르트의 ‘광전 효과’를 말하면서 빛은 파동이면서 입자라고 말했다. 그래서 레나르트의 ‘광전 효과’가 무엇인지를 물었다.

레나르트의 ‘광전 효과’를 알기 전에 막스 플랑크 공식을 먼저 알아야 된다고 친구는 말했다. 그것은 열과 빛 에너지의 상관관계를 찾는 연구에서 나온 공식이다. 기존에 열에너지와 빛에너지의 상관관계를 나타내는 식은 있었으나, 해당 수식들이 낮은 온도에서만 성립하거나, 높은 온도에서만 성립하였다. 그래서 막스 플랑크가 이 2개를 합친 수학식을 찾아냈다.

막스 플랑크 공식은 바로 E=nhν이다(E = 빛에너지, N = 정수(0, 1, 2, 3, …, h = 플랑크상수, ν= 주파수, 즉 진동수). 그렇다면 이 식이 의미하는 것은 무엇일까? 1. 빛 에너지는 불연속적인 값을 가진다. 2. h는 나뉘어지지 않는 빛에너지의 최소 단위인데 h라는 상수값 있다는 건, h라는 값 아래로 떨어질 수가 없다는 것이다. 즉, h보다 작아질 수 없고 커지더라도 h에 대한 배수로 값이 커진다는 것이다. 3. 빛에너지는 주파수(진동수)에 비례한다는 것이다. 그러므로 빛은 불연속적인 값이고, 나뉘어지지 않는 자신의 최소 단위가 있으며, 그래서 1개, 2개, 3개 … 등으로 셀 수 있다는 것이다. 즉 빛은 양자화 되어 있다고 볼 수 있는 것이다. 빛이 양자화, 즉 입자화 된 것을 ‘광양자’라고 부른다.

빛에너지가 주파수에 비례한다는 것은 어떤 의미일까? 사실 플랑크도 이 수식을 만들어놓고 믿지 못했다. 빛은 파동이라는 것이 실험적으로 이미 입증이 됐는데, 본인의 수학식을 해석하면 빛은 입자처럼 보이는 것이다. 그래서 플랑크는 이것이 빛의 근본적 성격이 아니라고 봤다. 빛이 양자화 되어 있다는 것은 본성이 아니라, 빛이 물질과 상호작용 할 때 나타나는 효과라고 생각했다.

하지만 아인슈타인은 이것을 “빛이 갖고 있는 물질과의 상호작용의 효과가 아니라, 빛의 본성을 표현한다.”라고 말했다. 아인슈타인은 프랑크의 양자가설을 바탕으로 레나르트의 ‘광전효과’를 설명하는데 성공한다. 이로써 빛의 양자화가 무엇인가에 대한 의문이 풀리게 된다.

레나르트의 광전효과는 파동의 에너지가 진폭과 파장 중 어떤 것과 상관관계가 있는지 보기 위한 실험이었다. 기존에는 ‘진폭’이 파동의 에너지랑 비례한다고 생각해왔다. 이 실험은 얇은 금속판에 빛에너지를 쏘는데, 빛에너지에 의해 전자가 튀어나오는 현상을 ‘광전 효과’라고 하는데 ‘진폭이 커지면 전자의 운동량이 커질 것이다’라는 가설을 세우고 실험을 했다. 그런데 실험 결과는 진폭이 커져도 전자의 속도(운동량)은 그대로이고, 더 많은 전자가 튀어나왔다는 것이다.

그래서 진폭이 아니라 진동수를 높였더니, 전자의 속도가 빨라진 것을 확인할 수 있었다. 파동의 성격으로는 이 결과를 이해할 수 없었다. 그러나 빛을 양자화하면 설명할 수 있게 된다. 왜냐하면 입자화된 빛은 진동수에 비례해서 커지기 때문에(E=nhν) 빛을 양자라고 생각하면 이 실험이 제대로 이해되는 것이다.

또한 빛이 파동이라면 연속적인 값이기 때문에 전자의 속도도 연속적으로 쭉 증가해야 하는데 실험 결과 전자의 속도가 띄엄띄엄 불연속적으로 증가했다. 전자의 속도가 불연속적으로 증가한다는 것은 빛이 진동수에 영향을 받는다는 것을 뜻하는 것이다. 그러므로 레나르트 ‘광전 효과’를 빛이 광양자라는 입장으로 이해하면 이 실험에는 아무런 모순이 없게 된다. 위와 같은 현상으로 빛은 파동이면서 입자적성격도 지님을 확인했다.

그렇다면 빛이 양자화 되어있다는 것이 의미하는 바는 무엇일까? 빛이 연속적이면서도 불연속적인 성격을 지녔다는 것이다. 이 말 자체가 우리에게는 모순적으로 보인다. 그러나 자연은 이 모순이 함께 조화를 이루고 있다. 인간의 시선으로는 모순적으로 보이는데, 자연에서는 이것들이 함께 있어야 된다는 것이다. 마치 우리가 유토피아를 생각하기엔 악의 무리가 사라져야 이상적인 사회가 된다고 여기는데, 악의 무리가 완전히 사라지면 이상적이지도 않을 뿐더러 그게 자연의 모습도 아니라는 것이다. 더 나아가 악한 것이 있기 때문에 선한 것도 있을 수 있는 것이다. 동양철학적으로 말하면 음(어둠, 사탄)이 있으면 반드시 양(빛, 하나님)이 있어야 되고, 양(빛, 하나님)이 있으면 반드시 음(어둠, 사탄)이 있어야 된다고 하는 것이다. 이것은 따로 존재할 수 없고 반드시 같이 존재해야 한다는 것이다. 그래야 태극이 될 수 있기 때문이다.

이걸 개인에게 적용시키면, “나에게 나쁜 일만 없었다면 더 잘됐을 텐데”가 아니라 그 나쁜 것까지 포함해서 내가 있는 것이지, 그걸 빼고는 내가 안 된다는 것이다. 이런 관계를 ‘상보적 관계(Complementary)’라고 한다. 서로가 서로를 보충해주고 상호 관계 속에서 이 자연이 펼쳐진다는 것이다. 한 쪽이 사라지면 다른 한 쪽도 사라진다는 것이다. 즉, 고통이 사라지면 기쁨도 사라지는 것이다.

이를 동양철학적으로 다시 설명해보자. 물과 불은 상극(相克)이다. 이것을 수화부제(水火不濟)라고 주역은 말한다. 그러나 거기서 끝나지 않는다. 수화상제(水火相濟)가 있다. 수화상제(水火相濟)는 상극인 물과 불이 서로 도와준다는 뜻이다. 마치 남자와 여자가 서로 상극인데도 부부가 되어 서로의 부족한 점을 도와주며 같이 사는 것과도 같다. 이것은 물과 불이 둘이 아니라 하나이기 때문에 가능하다(不二). 그래서 불교에서는 세계가 불이(不二)라는 것이 핵심 사상 중의 하나이다.

다시 막스 플랑크 공식인 E=nhν(E = 빛에너지 N = 정수(0, 1, 2, 3, …, h = 플랑크상수, ν= 주파수, 즉 진동수)으로 돌아가서 설명하자. 여기서 주파수는 빛의 색깔과 관련이 있다. 보라색쪽으로 갈수록 빛에너지는 높아진다. 그래서 에너지의 차이를 만들어내려면 색깔이 달라져야 한다. 색깔이 달라지기 위해선 진폭이 아닌 주파수, 즉 ‘리듬’이 달라져야 한다. 주파수는 1초에 파장이 몇 개 들어있는가 하는 것이다. 색깔과 리듬이 달라져야 운동량(속도)가 달라지게 된다. 그런데 우리는 리듬을 바꾸지 않고, 진폭(힘)을 크게 해서 뭔가 상황을 바꾸려고만 한다. 리듬이 바뀌는 건 색깔이 바뀌는 거고, 색깔이 바뀌어야 에너지가 바뀐다. 에너지의 상태가 바뀌어야 내가 하는 작업물의 결과물의 질이 바뀌게 된다.

빛은 h라는 불연속적 상수값으로 움직인다. 그러므로 사이값을 가질 수 없다. h가 빛의 단위로 생각하면 된다. 예를 들어 전자의 입장에서는 알갱이와 같은 빛을 반으로 쪼개서 받을 수가 없다. 오로지 전체로서만 작용이 일어난다. 이것은 빛이 입자와 파동인 전체로서만 작용이 가능하다는 것이다. 

빛이 알갱이와 같은 입자적 성격도 가졌다는 것이 상상이 되나요? 나는 빛에 대한 물리학의 설명을 듣고서 내 주변에 있는 사물들과 빛이 낯설게 느껴졌다. 전등을 바라볼 때, 모니터를 바라볼 때, 해를 볼 때 뭐랄까 당연하고 익숙한 것들이 당연하지 않게 느껴졌다. 또한 과학적 실험과 수학공식을 우리 삶에 끌어와 어떤 식으로 적용해볼 수 있을지 고민해보곤 하기도 했다. 그런데 빛이 입자이면서 파동이라는 것은 한 번도 사유해보지 못했던 방식으로 과학을 삶과 사유로 끌어올 수 있게 하였다. 그것은 나에게 너무나 굉장히 신선했다! 특히 자연에서는 모순이 양립 가능하다는 것을 알았기 때문이다. 그래서 이것을 사람들에게 하나님의 나라가 모순이 양립하는 세계라는 것으로 설명했는데 내 설명을 잘 받아들였을지 모르겠다.ㅎㅎ

빛은 입자일까 파동일까 하는 것이 우리에게 의미하는 바는 자연에서는 모순의 양립 가능하다는 것이다. 그뿐만 아니라 하나님의 나라도 모순이 양립하는 세계라는 것이다. 하나님의 나라는 하나님의 통치이므로 하나님의 통치의 핵심은 모순이 아닐까? 이것이 어쩌면 신정론(神正論)의 핵심이 아닐까?