알베르트 아인슈타인(1879-1955)은 양자 물리학의 확률적 해석을 싫어했습니다. 그러나 많은 사람들이 오해하는 것처럼, 양자 물리학 자체가 틀렸다고 생각한 것은 아닙니다. 오히려 아인슈타인은 양자 물리학의 탄생에 크게 기여했습니다. 아인슈타인은 파동의 입자성을 입증한 실험인 광전 효과에 대한 탁월한 설명으로 노벨상을 받았습니다. 노벨상 위원회는 같은 사람에게 두 번 노벨상을 주고 싶지 않아 상대성 이론에 대한 상을 수여하지 않았습니다. 아인슈타인에게 첫 번째이자 마지막 노벨상을 안겨준 광전 효과란 무엇일까요? 광전 효과는 어떻게 파동의 입자성을 입증할까요? 금속 내부에는 자유롭게 움직이는 전자들이 많이 있습니다. 빛을 금속에 비추면, 금속 안에서만 움직이던 전자들이 튀어나오는데, 이를 광전 효과라고 합니다. 비슷한 현상을 그릇에 담긴 물에서도 관찰할 수 있습니다. 그릇 안의 물 분자들은 그릇 안에서 자유롭게 움직이지만 그릇 밖으로 나오지 않습니다. 그러나 물을 끓이거나 햇빛에 두면 에너지를 얻어 공기 중으로 방출됩니다. 전자들도 평소에는 금속 안에서 자유롭게 움직이지만, 빛에너지가 공급되면 금속 밖으로 튀어나옵니다. 그러나 금속과 관련된 실험에서는 이상하고 다른 현상이 관찰됩니다. 그릇에 담긴 물의 경우, 빛이 강할수록 더 많은 물 분자가 방출되고, 빛이 약할수록 적게 방출됩니다. 또한, 금속은 빛의 세기에 따라 방출되는 전자의 개수가 달라집니다. 그러나 금속은 빛의 파장에 따라 전자를 방출하거나 방출하지 않을 수 있습니다. 전자들이 튀어나오려면 파장이 일정 수준보다 짧아야 하며, 그보다 길면 빛을 아무리 강하게 비추어도 나오지 않습니다. 즉, 전자가 튀어나오기 위해서는 빛의 주파수가 일정 수준 이상이어야 합니다. 예를 들어, 어떤 금속은 파란색 빛을 비추면 전자를 방출하지만, 빨간색 빛을 아무리 강하게 비추어도 전자는 나오지 않습니다. 이것을 어떻게 이해해야 할까요? 물 분자들은 서로 끌어당겨서 보통 하나의 덩어리를 형성합니다. 그런 다음, 이 끌림을 깨뜨릴 수 있는 충분한 에너지를 얻으면 공기 중으로 튀어나옵니다. 금속의 전자들도 전자들이나 원자핵과 전자기력으로 결합되어 있으며, 충분한 에너지가 공급되어 그 사슬이 끊어지면 튀어나옵니다. 전자가 금속 표면에서 방출되기 위해 필요한 최소한의 에너지를 일함수라고 합니다. 금속에서는 빛이 일정 주파수를 초과해야 전자가 방출됩니다. 빛의 주파수가 에너지와 관련이 있다는 것은 분명합니다. 그리고 이 주파수를 가진 빛이 전자의 일함수에 해당하는 에너지를 가지고 있다고 추정할 수 있습니다. 문제는 그 주파수 이하의 빛에서는 아무리 강하게 비추어도 전자가 방출되지 않는 이유입니다. 여기에서 상식을 뛰어넘는 상상이 필요합니다. 아래 설명을 듣기 전에 생각해 보세요. 아인슈타인은 이렇게 가정했습니다: ‘그릇에 담긴 물과 달리, 금속 안의 전자는 에너지를 조금씩 꾸준히 공급해도 쉽게 튀어나오지 않는다. 일함수에 해당하는 에너지를 한꺼번에 공급해야 한다. 그리고 빛에너지는 파도처럼 연속적으로 오는 것이 아니라, 당구공처럼 덩어리로 온다. 에너지가 충분히 큰 덩어리가 전자와 충돌하면 전자가 금속 밖으로 튀어나오지만, 에너지가 작은 덩어리는 여러 번 부딪혀도 전자를 튀어나오게 하지 못한다. 당구대 위에 얇은 끈으로 묶인 당구공을 상상해 보면 쉽게 이해할 수 있습니다. 묶인 끈을 끊을 수 있는 충분한 에너지로 치면, 결국 끈이 끊어질 것입니다. 반면에, 적은 에너지의 당구공은 여러 번 쳐도 끊어지지 않을 것입니다. 광전 효과 실험 결과, 빛의 주파수가 증가할수록 방출된 전자의 운동 에너지도 비례하여 증가합니다. 즉, 빛의 에너지 덩어리가 전자에 부딪히면 일함수를 극복하고 남은 에너지로 운동 에너지를 가지고 튀어나오는 것입니다. 끈을 끊을 에너지를 제외한 남은 에너지를 사용하여 묶인 당구공을 세게 치면, 그 당구공은 움직일 것입니다. 광전 효과 실험에서, 빛의 주파수와 방출된 전자의 운동 에너지는 비례 관계에 있었습니다. 따라서 아인슈타인은 빛에너지가 주파수에 비례한다고 결론지었습니다. 아인슈타인의 광전 효과 설명이 자연스럽게 느껴지나요? 그러면 안 됩니다. 아인슈타인 시대의 물리학자들도 그러지 않았습니다. 그의 발표 당시, 아인슈타인은 학문적 경험이 전혀 없는 25세의 특허청 사무원에 불과했습니다. 양자 물리학의 아버지인 닐스 보어(1885-1962)조차 이 설명이 틀렸다고 생각했습니다. 어떤 주장이라도 의문을 가져야 합니다. 그리고 더 중요한 것은, 설명을 보기 전에 스스로 답을 찾는 습관을 길러야 한다는 것입니다.