광자는 쪼갤 수 있을까? 광자를 쪼개면 벌어지는 일
원본 영상: 광자는 쪼갤 수 있을까? 광자를 쪼개면 벌어지는 일
채널: 안될과학 Unrealscience
광자 하나를 자른다는 질문
빛을 여러 갈래로 나누는 것과 빛을 이루는 광자 하나를 반으로 자르는 것은 서로 다른 질문이다. 영상은 “광자 하나를 칼로 자르듯 중간에서 끊으면 어떻게 될까?”라는 물음에서 출발한다.
화자는 노르웨이 오슬로대학교 연구팀이 이 상황을 이론적으로 연구해 《피지컬 리뷰 레터스》에 발표했다고 소개한다. 연구에서 다룬 대상은 공간에 퍼져 있는 광자의 파동이다. 영상에 따르면, 이 파동이 지나가는 도중 거울을 갑자기 없애면 단순히 파동이 두 갈래로 나뉘는 것 이상의 일이 벌어진다. 거울이 사라지는 과정에서 새로운 광자들이 만들어진다는 것이다.
기본입자와 파동 패킷
고대 그리스의 데모크리토스는 물질을 이루는 가장 작은 알갱이를 ‘자를 수 없는 것’이라는 뜻의 아토모스라고 불렀다. 원자를 뜻하는 아톰의 어원이지만, 원자는 이후 더 작은 구성 요소를 가진다는 사실이 드러났다. 원자 안에서 전자와 원자핵이, 원자핵을 이루는 양성자와 중성자 안에서 쿼크가 확인됐다.
그렇다면 지금은 어디까지 쪼개졌을까? 화자는 현대 물리학의 표준 모형에서 전자, 쿼크, 광자가 기본입자로 분류된다고 설명한다. 여기서 강조하는 점은 지금까지의 실험에서 내부 구조가 발견되지 않았다는 것이다.
광자는 하나, 둘, 셋으로 셀 수 있는 입자이면서 공간에 퍼져 나아가는 파동의 성질도 지닌다. 연구진이 자르려 한 것은 이처럼 공간에 퍼져 있는 파동의 묶음, 즉 파동 패킷이다. 영상의 ‘광자 쪼개기’는 이 파동 패킷을 자르는 상황을 가리킨다.
파동이 도착하는 도중 거울을 없앤다면
연구진이 떠올린 방법은 거울을 순식간에 없애는 것이다. 파동이 거울에 닿으면 먼저 도착한 부분은 반사된다. 그런데 파동의 중간쯤이 닿았을 때 거울이 한순간에 사라진다면, 아직 도착하지 않은 뒷부분은 그대로 지나가게 된다.
직관적으로는 앞부분과 뒷부분이 나뉘어 각자의 경로로 이동할 것 같다. 하지만 화자는 연구 결과가 이 예상과 달랐다고 설명한다. 영상은 그 이유를 풀어 가기 위해 여러 주파수 성분이 만드는 파동의 모양에 주목한다.
날카로운 모서리를 표현하려면
영상은 악기의 배음을 예로 든다. 악기는 기본음 하나만 내는 것이 아니라 기본음의 두 배, 세 배 진동수를 가진 배음도 함께 낸다. 여러 주파수 성분을 함께 생각하면 파동의 모양을 이해하는 데 도움이 된다는 설명이다.
여기서 문제가 되는 것은 완벽하게 각진 모서리다. 화자는 이런 모서리를 얻으려면 무한히 높은 주파수까지 끝없이 더해야 한다고 설명한다. 파동을 순간적으로 자른다는 설정은 이처럼 날카롭게 끊기는 모양을 어떻게 표현할 것인가라는 문제로 이어진다.
새로운 광자와 에너지의 출처
영상이 소개하는 결과의 핵심은 새로운 광자의 생성이다. 화자는 “거울이 갑자기 사라지면서 새로운 광자들이 만들어지는 것”이라고 설명한다. 파동을 자르는 조작이 광자의 생성까지 연결되는 셈이다.
영상은 관련 실험 사례로 2011년 스웨덴 찰머스 공과대학 연구팀의 초전도 회로 실험도 소개한다.
그렇다면 새 광자를 만드는 에너지는 어디서 올까? 화자는 광자를 만드는 데 드는 에너지가 거울을 없애는 과정에서 들어온다고 명시한다. 따라서 이 상황을 이해하려면 파동이 나뉘는 모습뿐 아니라, 거울을 없애 반사 조건을 바꾸는 외부 과정도 함께 고려해야 한다.
다른 입자에도 같은 질문을 던질 수 있을까
영상 후반부는 전자 같은 다른 입자와 광자가 여러 개인 경우로 질문을 넓힌다. 화자는 연구진이 이 경우들을 다음 연구 주제로 꼽았다고 전한다.
영상의 출발점은 광자 하나를 반으로 자를 수 있느냐는 물음이었다. 이를 구체적인 이론적 상황으로 바꾸면, 광자의 파동 패킷이 지나가는 도중 반사 조건을 급격히 바꾸었을 때 무엇이 일어나는지를 묻게 된다. 영상이 전하는 흥미로운 결과는 그 조작 자체가 새로운 광자의 생성으로 이어질 수 있으며, 필요한 에너지는 조건을 바꾸는 과정에서 공급된다는 점이다.