(재미있는 과학) 광자 Photon 입자인가 파동인가, 게이지 보손인가?

광자 Photon 가 뭐지?

빛의 기본 입자 포톤(Photon)은 평범하지만 놀라움으로 가득하다.

물리학자들이 광자(Photon)라고 부르는 것을 우리는 그냥 빛이라고 한다. 광자는 빛을 양자적으로 표현한 것이 광자인데 전자기 에너지의 가장 작은 단위이다. 만약 컴퓨터 화면으로 이 글을 읽고 있다면, 광자의 흐름이 단어들의 이미지를 눈의 시신경을 통하여 뇌까지 전달되는 중이다.

과학에서 광자는 조명 그 이상으로 매우 중요한 존재이다.

파동, 입자, 보손까지
고대 이집트, 메소포타미아, 인도, 그리스의 철학자들과 학자들로부터 오랜 세월을 거쳐 인류는 빛의 본질을 조사해왔다.
특히 17세기 후반에서 20세기 초반 사이에 과학자들은 ‘빛은 입자인가, 파동인가?’라는 질문에 답을 찾았었다.

뉴턴, 빛을 입자다

아이작 뉴턴은 빛이 표면에서 반사될 때, 튀어 나오는는 공처럼 작용하니 입자라고 생각했다. 또한 유리 프리즘은 하얀 빛의 빔을 굴절시켜 무지개를 만들고 빛을 두 번째 프리즘을 통해 다시 굴절되었을 때, 더 이상 분열되지 않는다는 것을 알아냈다.

그래서 뉴턴은 하얀 빛이 다양한 크기의 많은 다른 분자로 이루어져 있다고 가정함으로써 설명될 수 있다고 말했다. 붉은 빛은 가장 큰 미립자로 구성되었고, 보라색은 가장 작은 미립자로 구성되어 서로 다른 크기가 서로 다른 속도, 가속도로 미립자를 유리 사이로 끌어당기는 원인이 되었다고 말했다. 그래서 두 번째 프리즘에 의해 더 이상 분해될 수 없는 무지개를 만들어 진다고 확산했다.

뉴턴의 입자론으로 설명 안되는 현상이 나타나, 빛은 파동인가?

하지만 뉴턴의 입자 모형에는 중대한 단점이 있었다.
빛이 작은 구멍을 통과할 때, 그것은 마치 물결처럼 퍼져 나간다. 뉴턴의 입자 모형은 이 행동을 설명할 수 없었고, 파동 모형으로 만 설명할 수 있었다.
토마스 영이 이중 슬릿 실험은 두 개의 작은 구멍을 통해 나란히 광선을 보냈고, 그것들을 통과하는 빛이 특정한 패턴을 형성한다는 것을 발견했다. 특정한 간격으로 두 개의 구멍에서 나오는 교차하는 파문은 파도처럼 서로 강화 및 상쇄시키는 것을 발견했다. 방해했습니다.파도처럼.
1850년, 레옹 푸코는 공기를 통과하는 빛의 속도와 물을 통과하는 빛의 속도를 비교했고, 뉴턴의 주장과는 달리, 빛은 밀도가 높은 매체에서 더 빨리 움직이지 않는다는 것을 발견했다.

맥스웰의 전자기파=빛

11년 후, 제임스 클러크 맥스웰은 전자기파의 존재를 예측한 On Physical Lines of Force를 출판했다.
맥스웰은 전자기파가 광파와의 유사성을 지적했고, 이 두 가지가 하나이며 동일하다는결론을 내리게 했다.

막스 플랑크는 입자론 부각

하지만 1900년 막스 플랑크는 빛에 대한 새로운 개념에 불을 붙일 아이디어를 생각해냈다.
플랑크는 전자기파의 에너지를 개별 패킷으로 나눌 수 있다고 설명하면서 방사선의 몇 가지 난해한 행동을 설명했다.

알버트 아인슈타인 논란을 종식시키다. 빛은 입자이면서 동시에 파동이다

1905년, 알버트 아인슈타인은 플랑크의 에너지 패킷 개념을 기반으로 빛이 입자인가 파동인가라는 논쟁을 해결했다.
아인슈타인이 설명했듯이, 빛은 입자이면서 파장으로 작용하며, 빛의 각 입자의 에너지는 파동의 주파수에 대응한다.
그의 증거는 빛이 금속에서 전자를 방출하는 방법인 광전 효과에 대한 연구로부터 나왔다.
만약 빛이 연속적인 파장으로만 이동한다면, 충분한 시간 동안 금속에 빛을 비추면 전자에 전달되는 에너지가 시간이 지남에 따라 축적되기 때문에 항상 전자를 제거하게 될 것이다.
하지만 광전 효과는 그렇게 작용하지 않았다.
1902년 필립 레너드는 특정 에너지 이상의 빛(또는 특정 주파수 이상의 광파)만이 금속에서 전자를 분리할 수 있다는 것을 발견했다. 이 경우 빛은 입자처럼 작용하고 있다.

여전히 빛의 파동 모델을 확신한 로버트 밀리칸은 아인슈타인의 가설을 반박하기 시작했다. 밀리칸은 광전 효과와 관련된 빛과 전자 사이의 관계를 세심하게 측정했다. 놀랍게도, 그는 아인슈타인의 예언 하나 하나를 확인하게 되었다.
아인슈타인의 광전 효과에 대한 연구는 1921년 그에게 유일한 노벨상을 안겨주었다.
1923년 아서 콤프턴Arthur Compton은 아인슈타인의 빛 모델에 추가적인 지원을 한다. 콤프턴은 물질에 고에너지 빛을 조준하여 충돌로 방출되는 전자가 산란하는 각도를 성공적으로 예측했다.그 는 빛이 작은 당구공처럼 작용한다고 가정함으로써 그것을 했다.

21세기의 빚에 대한 새로운 정의, 빛=게이지 보손

과학자들이 광자에 대해 생각하는 방식은 최근 몇 년 동안 계속 발전해 왔다.우선, 광자는 "게이지 보손"으로 밝혀졌다.
게이지 보손은 물질 입자가 기본 힘을 통해 상호작용할 수 있도록 하는 힘을 전달하는 입자이다.
예를 들어, 원자핵의 양전하인 양성자가 전자기력을 통한 상호작용인 음전하인 전자와 광자를 교환하기 때문에 원자는 함께 뭉쳐 질 수 있다.
모든 입자 = 양자장의 들뜸
광자는 양자장에서의 입자, 파동, 들뜸(excitation파동 같은 것)으로 나타난다.

전자기장과 같은 양자장은 우주 전체에 퍼지는 에너지와 전위의 일종이다. 물리학자들은 모든 입자를 양자장의 들뜸이라고 생각한다.
양자장을 아무것도 볼 수 없는 잔잔한 연못 표면이라고 생각하고 표면에 조약돌을 던지면 물이 조금 튀어 오른다 그것이 입자이다.

전파, X선, 자외선 모두 광자이다.

전파 및 마이크로파, 적외선 및 자외선, X선 및 감마선 이것들은 모두 빛이고 모두 광자이다.
광자는 우리 주변 어디에나 있다. 인터넷, 케이블, 휴대전화 신호를 전달하기 위해 연결된 광섬유를 통과한다. 병원에서 암 조직을 치료하기 위해 사용하는 방사능 빔도 광자이다.

광자는 우주 연구에서 필수적이다.

우주의 과거, 현재, 미래에 대한 연구.과학자들은 별들이 방출하는 전파와 가시광선과 같은 전자파 방사선을 조사함으로써 별들을 연구한다. 천문학자들은 극초단파 하늘을 촬영하여 우리 은하와 그 이웃의 지도를 만들어 낼 수 있다. 적외선을 감지함으로써 먼 별들의 시야를 가리는 우주 먼지 또한 알아 낼 수 있다.

22년 4월 단일 광자의 홀로그램을 촬영했다는 소식이다. 아래에 가면 볼 수 있다.

https://geometrymatters.com/hologram-of-a-single-photon/

Hologram of a single photon - Geometry Matters

과학자들은 우리 은하와 그 너머에서 방출되는 에너지 있는 물체들에 의해 자외선, X선, 감마선의 형태로 강한 신호를 수집하고 있다. 또한 우주 마이크로파 배경이라고 알려진 빛의 희미한 패턴과 같은 약한 신호도 감지하면서 빅뱅 이후 몇 초간의 우주 상태를 기록하고 분석 중이다.
그래서 광자는 우리의 삶과 밀접하며 모든 과학 기술에 매우 중요한 역할을 한다.

물질에 질량을 부여한 힉스 입자 발견

2012년, 거대 강입자 가속기의 과학자들은 힉스 입자의 광자 쌍으로의 붕괴를 연구함으로써 힉스 입자를 발견했다.
광원이라 불리는 이 기계는 물질을 분해하고 분자를 상세하게 조사할 수 있도록 X선, 자외선, 적외선의 강렬한 빔을 생성한다.

새로운 광자를 찾아서…

물리학자들은 여전히 새로운 종류의 광자를 찾고 있다. 이론적인 "암흑 광자"는 암흑 물질의 입자 사이의 상호작용을 매개하는 새로운 종류의 게이지 보손 역할을 할 것이다.