빛을 압축하면 어떻게 될까? 과학자들이 해봤습니다.

빛을 압축하면 어떻게 될까?

 

※ 본 내용은 유튜브 채널 '책밖과학'에서 제공하며, 타 블로그 및 유튜브 채널에서의 사용을 절대 금지합니다.

 

혹시 공기가 들어있는 주사기를 밀어본 적 있으신가요?

처음에는 잘 밀리다가 어느 지점부터는 더이상 밀리지 않는다는 걸 해보신 분들은 아실겁니다.

 

이는 점점 압축된 공기들이 주사기 안의 좁아진 공간을 가득 메웠기 때문입니다.

 

그렇다면 빛은 어떨까요? 

 

빛도 공기처럼 압축되어 결국 밀리지 않게 될까요? 아니면 아무 저항없이 끝까지 밀리게 될까요?

 

최근 과학자들은 이를 확인하기 위해 광자를 압축하는 실험을 진행했습니다.

 

그리고 아주 놀라운 광자의 특성을 발견하게 되었습니다.

 

 

 

 

 

인류는 지금까지 참 다양한 물질들을 압축해 왔습니다.

 

하지만 빛을 압축하는 과정과 이에 필요한 힘 등을 기록한 사례는 거의 없죠.

 

아마도 빛의 이용 목적 상 압축해야될 상황이 거의 없었기 때문일지도 모르겠습니다.

 

 

그래서 과학자들은 과연 빛도 압축이 될 수 있는지 실험을 통해서 알아보기로 했는데요.

 

이를 위해 과학자들은 먼저 두 개의 작은 거울이 설치된 특수한 통을 준비했습니다.

 

그리고 두 거울 사이에 일정량의 광자들을 집어넣어 가두어 놓았죠.

(정확히는 광자 가스, 쉽게 생각해서 전자기 방사선을 생각하시면 됩니다.)

 

이 상태에서 과학자들은, 한쪽의 거울을 움직여서 광자를 압축시켜 보았습니다.

 

그런데 처음에는 적은 힘으로도 잘 밀렸던 거울이, 어느 지점부터는 잘 밀리지 않게 되었습니다.

 

사실 이러한 결과는 과학자들도 충분히 예상했던 결과였는데요.

 

일반적으로 광자는 질량을 가지고 있지는 않지만, 운동 에너지는 가지고 있기 때문입니다.

 

광자들은 두 거울 사이에서 계속 튕겨져 나가며 운동 에너지를 발생시키고 있었습니다.

 

그런데 거울 사이의 공간이 점점 좁아지면서, 광자들의 튕김은 더욱 격렬해 지게 되었는데요.

 

이렇게 증가된 광자들의 운동 에너지는 결국 거울을 미는 힘에 대한 저항력으로 작용하게 된 겁니다.

 

또한 광자의 수를 더욱 늘렸더니, 거울을 미는데 필요한 힘도 비례해서 증가하게 되었습니다.

 

 

어쨋든 과학자들은 더욱 큰 힘으로 거울을 계속 밀어서 광자를 압축시켰습니다.

 

그랬더니 갑자기 이상한 현상이 일어나기 시작했습니다.

 

거울을 미는데 필요한 힘이 급격히 약해지기 시작하더니, 급기야 거의 힘을 주지 않아도 거울이 밀리고 있었죠.

 

도대체 압축된 광자들에게서 무슨 일이 일어나고 있었던 걸까요?

 

사실, 답은 양자 역학에 있었습니다.

 

영자 역학에서 광자는 입자의 성질 뿐만 아니라 파동으로서의 성질도 같이 가지고 있는데요.

 

그래서 광자의 위치 값은 정확하게 정해져 있지 않고, 아주 모호하고 확률적일 수 있습니다.

 

또한 광자는 다른 입자들 처럼 서로 가까워져도 전기적인 반발이 일어나지도 않죠.

 

즉, 광자의 밀도가 특정 한계치를 넘으면, 광자의 존재 확률이 서로 겹쳐지게 되어 마치 하나의 광자처럼 행동하게 된다는 겁니다.

 

이렇게 겹쳐진 광자들은 파동처럼 움직이게 되어, 결국 구별하기 어려워지게 됩니다.

 

거울을 미는 힘이 점점 약해졌던 이유는, 바로 광자들의 겹침 현상 때문이었습니다.

 

이러한 현상은 사실 다른 입자들에게서는 볼 수 없는 광자만의 아주 독특한 특성이라고 할 수 있습니다.

 

 

광자의 이러한 특성을 잘 이용하면, 아주 민감한 장치를 개발하는데 이용될 수 있을 텐데요.

 

예를 들면, 무게 등의 어떠한 힘을 측정하는 아주 민감한 센서를 만들 수 있을 겁니다.

 

광자의 압력 변화를 이용한 센서는, 그 어떠한 센서보다 훨씬 더 민감하고 정확할 겁니다.

 

그리고 빛은 우리가 생각하는 것 보다 훨씬 더 놀라운 능력을 가지고 있을 지도 모릅니다.

 

https://youtu.be/E7Wca55kEoo?si=HSHViELr2eEsy2ZQ 

 

 

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