You look down and see a yellow pencil lying on your desk. Your eyes, and then your brain, are collecting all sorts of information about the pencil: its size, color, shape, distance, and more. But, how exactly does this happen? The ancient Greeks were the first to think more or less scientifically about what light is and how vision works. Some Greek philosophers, including Plato and Pythagoras, thought that light originated in our eyes and that vision happened when little, invisible probes were sent to gather information about far-away objects. It took over a thousand years before the Arab scientist, Alhazen, figured out that the old, Greek theory of light couldn't be right. In Alhazen's picture, your eyes don't send out invisible, intelligence-gathering probes, they simply collect the light that falls into them. Alhazen's theory accounts for a fact that the Greek's couldn't easily explain: why it gets dark sometimes. The idea is that very few objects actually emit their own light. The special, light-emitting objects, like the sun or a lightbulb, are known as sources of light. Most of the things we see, like that pencil on your desk, are simply reflecting light from a source rather than producing their own. So, when you look at your pencil, the light that hits your eye actually originated at the sun and has traveled millions of miles across empty space before bouncing off the pencil and into your eye, which is pretty cool when you think about it. But, what exactly is the stuff that is emitted from the sun and how do we see it? Is it a particle, like atoms, or is it a wave, like ripples on the surface of a pond? Scientists in the modern era would spend a couple of hundred years figuring out the answer to this question. Isaac Newton was one of the earliest. Newton believed that light is made up of tiny, atom-like particles, which he called corpuscles. Using this assumption, he was able to explain some properties of light. For example, refraction, which is how a beam of light appears to bend as it passes from air into water. But, in science, even geniuses sometimes get things wrong. In the 19th century, long after Newton died, scientists did a series of experiments that clearly showed that light can't be made up of tiny, atom-like particles. For one thing, two beams of light that cross paths don't interact with each other at all. If light were made of tiny, solid balls, then you would expect that some of the particles from Beam A would crash into some of the particles from Beam B. If that happened, the two particles involved in the collision would bounce off in random directions. But, that doesn't happen. The beams of light pass right through each other as you can check for yourself with two laser pointers and some chalk dust. For another thing, light makes interference patterns. Interference patterns are the complicated undulations that happen when two wave patterns occupy the same space. They can be seen when two objects disturb the surface of a still pond, and also when two point-like sources of light are placed near each other. Only waves make interference patterns, particles don't. And, as a bonus, understanding that light acts like a wave leads naturally to an explanation of what color is and why that pencil looks yellow. So, it's settled then, light is a wave, right? Not so fast! In the 20th century, scientists did experiments that appear to show light acting like a particle. For instance, when you shine light on a metal, the light transfers its energy to the atoms in the metal in discrete packets called quanta. But, we can't just forget about properties like interference, either. So these quanta of light aren't at all like the tiny, hard spheres Newton imagined. This result, that light sometimes behaves like a particle and sometimes behaves like a wave, led to a revolutionary new physics theory called quantum mechanics. So, after all that, let's go back to the question, "What is light?" Well, light isn't really like anything we're used to dealing with in our everyday lives. Sometimes it behaves like a particle and other times it behaves like a wave, but it isn't exactly like either.
책상에 놓여 있는 노란 연필을 봅시다. 눈과 뇌를 통해서 여러분은 연필에 대한 모든 정보를 수집합니다. 크기, 색깔, 모양, 거리, 그 외에 다른 정보들을요. 그런데 정확히 어떻게 이런 일들이 일어나는 걸까요? 고대 그리스인들은 최초로 빛은 무엇이고, 어떻게 우리가 볼 수 있는지 과학적으로 접근했습니다. 플라톤이나 피타고라스 같은 그리스 철학자들은 우리 눈에서 빛이 생겨난다고 생각했어요 눈으로 볼 수 없는 작은 탐침들이 나와서 멀리 있는 물체의 정보를 모을 때 우리가 볼 수 있는 거라구요. 아랍 과학자인 알하잔이 그리스 시대의 빛의 가설은 틀렸다는 것을 밝혀내는데 천년도 넘는 시간이 걸렸습니다. 알하잔은 눈에서 보이지 않는 탐침을 내보내서 정보를 모아오는 것이 아니라 눈으로 들어오는 빛을 그저 받아들이는 것 뿐이라구요. 알하잔의 가설은 그리스인들이 쉽게 설명하지 못했던 사실들을 설명할 수 있었습니다. 왜 때때로 어둠이 찾아오는지 말이죠. 몇몇 소수의 물체들은 실제로 스스로 빛을 냅니다. 빛을 내는 물체들, 태양이나 전구 같은 특별한 물체는 광원(光源)이라고 부르기도 해요 책상 위의 연필 같은 우리가 보는 물체들의 대다수는 스스로 빛을 내는 것이 아니라 광원에서 나오는 빛을 그저 반사합니다. 그래서 연필을 보면 눈에 비치는 빛이 실제로는 태양에서 비롯된 것 입니다. 빛이 수백만 마일의 빈 공간을 지나 연필에 반사되어 눈으로 들어오는 것 입니다. 생각해보면 사실 꽤나 멋진 개념입니다. 그런데 태양에서 나오는 것은 정확하게 무엇이고 어떻게 우리가 볼 수 있을까요? 원자같은 입자인 걸까요? 아니면 연못 수면의 잔 물결 같은 파동일까요? 근세 과학자들은 이 질문에 대답하기 위해 수 백년동안 고민했습니다. 아이작 뉴턴이 그 첫번째 입니다. 뉴턴은 빛이 원자같은 아주 작은 입자로 만들어져 있다고 믿었습니다. 그는 그 입자를 '작은 입자'라고 불렀습니다. 이 가설로 뉴턴은 빛의 몇몇 속성을 설명할 수 있었습니다. 예를 들면 굴절이 있어요 그 때문에 빛이 공기에서 물속을 통과해 지나갈 때 휘어서 보입니다. 하지만 과학에서는 천재들도 잘못 이해할 때가 있습니다. 뉴턴이 죽고 난 훨씬 뒤인 19세기에 과학자들이 빛이 원자 같은 입자로 만들어 지지 않았다는 것을 증명하기 위해서 일련의 실험을 했습니다. 한 예를 들면, 두 줄기의 빛이 서로 교차하더라도 서로를 전혀 방해하지 않았습니다. 만약 빛이 작은 고체의 공으로 만들어져 있다면 빛줄기 A에서 나온 입자의 일부가 빛줄기 B에서 나온 입자의 일부와 충돌할 겁니다. 이런 일이 생긴다면 충돌한 두 입자들이 사방으로 튕겨나갈 겁니다. 하지만 그런 일은 벌어지지 않습니다. 두 줄기의 빛은 서로 통과해 버리고, 두 개의 레이저 포인터와 분필 가루만 있으면 여러분 스스로 확인할 수 있습니다. 다른 예로는, 빛이 서로 간섭하여 무늬를 만든다는 것 입니다. 빛의 간섭이란 두 개의 파동이 같은 공간을 차지할 때 일어날 때 생기는 복잡한 물결무늬입니다. 고요한 연못에 두 개의 물체를 떨어뜨리면 간섭 현상을 관찰할 수 있습니다. 그리고 두 개의 광원이 서로 가까이 갈때도 관찰할 수 있습니다. 파동만이 간섭 무늬를 만들 수 있습니다. 입자들은 그렇게 하지 않습니다. 추가로 빛이 물결처럼 움직이는 것을 이해하면 자연스럽게 색이 무엇인지 그리고 왜 연필이 노란색으로 보이는지 설명할 수 있습니다 그러면 해결된거죠? 빛은 파동이죠? 그렇죠? 그렇게 판단하긴 아직 이릅니다. 20세기에 과학자들은 빛이 입자처럼 행동하는 것을 보여주는 실험을 했습니다. 예를 들면, 금속에 빛을 비추면 빛은 금속의 원자에 에너지를 전달합니다. 양자라고 부르는 비밀주머니에 에너지를 담아 나르죠. 하지만 그렇다고 빛의 간섭 현상을 잊어버릴 수는 없습니다. 그리고 빛의 양자는 뉴턴이 상상했던 작고 단단한 공도 아닙니다. 이 실험으로 빛은 입자의 성질도 파동의 성질도 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이 결과는 획기적인 물리학의 새로운 분야인 양자역학을 만들어 냈습니다. 그러면 다시 처음으로 돌아가서 빛이란 무엇일까요? 글쎄요, 빛은 우리 주변에서 우리가 매일 다루는 물건들과는 다릅니다. 어떤 때는 입자처럼 행동하고 어떤 때는 파동처럼 행동하지만 정확히는 그 어느 쪽도 아닙니다.