광자란 무엇인가?

photons

 

 

광자는 전자기력을 전달하는 기본적인 아원자 입자들이다. 즉, 간단히 말해서 그들은 가벼운 입자들이다.광자는 또한 전자기 방사선의 "양" 또는 기본 단위다.모든 사람은 광자에 둘러싸여 있다.여러분이 보고 있는 화면에서 나오는 빛은 광자로 구성되어 있고, 의사가 뼈를 볼 때 사용하는 엑스선는 광자로 구성되어 있으며, 자동차 안의 라디오는 광자로부터 신호를 받고, 냉장고의 자석은 광자를 사용하여 스스로를 지탱한다.

 

다른 모든 아원자 입자와 마찬가지로 광자는 파동 입자 이중성을 나타내며, 이는 광자가 때로는 작은 입자처럼 행동하고 때로는 파동 역할을 한다는 것을 의미한다.광자는 질량이 없어 진공(초속 299,792,458m)에서 빛의 속도로 이동할 수 있고 무한히 먼 거리를 이동할 수 있다.

광자란 무엇인가?

광자 발견

 

물리학자들은 수세기 동안 빛의 성질을 연구해왔지만, 빛이 작은 입자로 만들어졌는지 아니면 자연에서 파도와 같은 것인지에 대한 논쟁은 계속되었다.그러나 1800년대 후반 독일 물리학자 맥스 플랑크의 선구적인 연구가 전체 그림을 바꾸었다.

 

플랑크는 가능한 한 효율적으로 모든 주파수에서 빛을 방출하는 특별한 장치에서 나오는 흑체 방사선 또는 빛이라고 불리는 것을 연구하고 있었다.플랑크까지는 아무도 이들 장치에서 나오는 빛의 스펙트럼을 설명할 수 없었기 때문에 플랑크는 방정식에 "수정"을 추가했다.

 

빛이 양자로 알려진 분리된 에너지 덩어리에서만 방출될 수 있다고 가정함으로써, 하이퍼 물리학에 따르면, 그는 흑체 스펙트럼을 완벽하게 설명하는 공식을 개발할 수 있었다.

 

물리학자들은 플랑크의 결과를 어떻게 생각해야 할지 정확히 확신하지 못했으나, 몇 년 후, 알버트 아인슈타인은 한 걸음 더 나아갔다.빛이 금속을 비출 때 금속에서 전자가 방출되는 광전 효과를 설명하기 위해 아인슈타인은 빛 자체가 분리된 작은 덩어리로 구성된다고 제안했다고 미국물리학회는 전했다.시간이 지나면서, 이 작은 덩어리들은 광자로 알려지게 되었다.

 

플랑크, 아인슈타인 등의 라이트 킥의 성질을 연구하는 작업이 양자역학의 발전에 시동을 걸었다.

 

광자는 입자인가?

 

엄밀히 말하면, 광자는 입자도 파동도 아니다; 그것들은 둘 다의 조합이다.어떤 상황에서는 그들의 입자 같은 성질이 더 많이 나오고, 어떤 상황에서는 그들의 파도 같은 성질이 더 뚜렷하게 드러난다.

 

예를 들어 검출기는 단일 광자의 도착을 등록할 수 있는데, 이는 점처럼 생긴 입자로 나타난다.콤프턴 산란이라고 알려진 과정은 전자에 부딪히는 광자를 포함하며, 그 상황에서 광자는 입자 역할을 한다.

 

하지만, 광자가 검출기에 정확히 언제 어디서 부딪칠지 예측하는 것은 불가능하다.양자역학에서는 사건에만 확률을 할당할 수 있다.McGraw Hill의 AccessScience에 따르면, 이러한 이벤트는 파동에 대한 방정식으로 모델링되며, 파동의 피크는 광자와 낮은 확률의 영역에 해당하는 수조에 해당된다.

 

이 개념은 빛의 이중 파동 입자성(그리고 결국 다른 아원자 입자)을 굳힌 유명한 이중 슬릿 실험이 가장 잘 예시하고 있다.빛이 두 개의 슬릿이 잘려진 화면을 통과하면 화면 반대편에 있는 검출기에 간섭 패턴을 형성하는데, 어떤 곳에서는 파도의 봉우리들이 서로 줄지어 서고, 또 어떤 곳에서는 봉우리들과 수조들이 서로 상쇄하는 곳이 있다.각각의 개별 광자가 입자처럼 작용하면서 한 번에 한 개의 광자만 화면을 통과하더라도 검출기에 나타나는 간섭 패턴은 파동이 슬릿을 통과했을 때 발생할 수 있는 패턴과 정확히 동일하다.

 

광자는 질량과 탄력이 있는가?

 

광자는 질량이 0으로 되어 있어 우주에서 가장 빠른 속도, 즉 빛의 속도로 이동할 수 있다.하지만, 그들은 에너지와 추진력을 가지고 있다.캘거리 대학의 에너지 교육 웹사이트에 따르면, 광자의 에너지는 플랑크가 빛의 주파수를 일정하게 곱하여 주어지고, 광자의 운동량은 플랑크가 빛의 속도를 곱하여 주어진다.

 

광자가 모멘텀을 가지고 있다는 사실은 광범위한 애플리케이션을 가능하게 한다.예를 들어, 태양열 돛은 태양빛을 우주선을 밀기 위해 사용하는 실험 추진 장치들이다.NASA에 따르면, 태양에서 나온 광자들은 반사하는 돛에서 튕겨져 나와 돛에 탄력을 부여하고 우주선을 움직인다.

 

광자는 시간을 경험하는가?

 

우리가 시간의 흐름 속도를 이해하는 것은 빛의 속도에 점점 더 가까이 이동하는 물체는 점점 더 느린 시간의 흐름을 경험할 것이라는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 비롯된다. 존 D에 따르면, 움직이는 시계는 느리게 달린다.

 

그러나 특수 상대성 이론의 수학은 빛의 속도보다 더 느리게 이동하는 물체에만 적용되고 빛의 속도로 이동하는 광자에는 직접 적용되지 않는다. 따라서, 과학자들은 그것을 뒷받침할 수학적 언어가 없기 때문에 시간의 흐름 측면에서 광자가 무엇을 경험하는지 말하는 것은 불가능하다. 이것을 표현하는 또 다른 방법은 시간의 흐름의 개념이 광자에게 의미가 없다는 것이다.

 

광자는 중력의 영향을 받는가?

 

광자는 에너지와 운동량을 모두 가지고 있기 때문에 중력의 영향을 받는다.우리의 현대적인 중력의 이해인 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 어떤 형태의 에너지(질량, 운동량, 비틀림 포함)가 있는 것은 무엇이든 중력의 영향을 받는다.구체적으로 광자와 같은 질량이 없는 입자들은 한 지점에서 다른 지점까지의 최소 거리인 "지오데틱스"를 따른다.

 

일반 상대성에서는 거대한 물체의 영향으로 시공간이 곡선을 이룬다.이는 제트기가 한 도시에서 다른 도시로 직진하기 위해 곡선을 따라 가야 하는 것처럼 '최소 거리' 경로를 곡선으로 만들 수 있는데, 이는 지구 자체가 곡선을 그리기 때문이다.

 

시공간 시간의 곡률은 광자에 여러 가지 방법으로 영향을 미친다.광자가 강한 중력의 영역에서 약한 중력의 영역으로 이동할 때 에너지가 손실되어 주파수가 스펙트럼의 더 붉은 끝으로 낮아진다.광자가 거대한 물체 근처를 지날 때, 광자의 움직임 방향이 바뀔 것이다.