알베르트 아인슈타인(1879-1955)은 1905년에 광전 효과에 대한 논문을 발표하고 빛의 입자성을 입증했습니다. 빛이 금속 표면에 비추면 전자가 에너지를 얻어 튀어나오는 현상을 광전 효과라고 합니다. 광전 효과는 파동의 입자성을 가정하여 설명되었습니다. 그러나 파동의 입자성을 더 직관적으로 보여주는 실험이 있을까요? 그런 실험이 있습니다. 이것은 콤프턴 산란이라고 불리는 실험입니다. 빛이 입자에 비추면 산란이 발생하여 빛이 모든 방향으로 퍼지고 독특한 결과가 관찰됩니다. 빛은 전자기장 진동이 공간을 통해 전파되는 현상입니다. 빛이 전자에 비추면 전자는 전기장의 진동을 느끼고 전기장이 흔들리는 방향으로 진동하게 됩니다. 그리고 전하는 자체적으로 전기장을 생성하기 때문에, 움직이는 전하는 움직이는 전기장을 생성합니다. 따라서 빛이 전자에 비추면 입사광 외에도 전자가 생성하는 빛이 모든 방향에서 관찰됩니다. 이 현상을 톰슨 산란이라고 합니다. 여기서 전자가 생성하는 빛은 자연스럽게 입사광과 같은 주파수를 가집니다. 그러나 빛이 전자에 비추어질 때, 톰슨 산란으로 예측된 빛 외에 다른 주파수를 가진 빛이 관찰되었습니다. 사람들은 놀랐습니다. 주파수는 산란이 발생한 각도에 따라 달라졌습니다. 방출된 빛의 방향이 입사광의 방향과 더 유사할수록 방출된 빛의 주파수도 더 유사했습니다. 그리고 방출된 빛의 방향이 더 많이 꺾일수록 주파수가 더 많이 감소했습니다. 이 현상을 어떻게 설명할 수 있을까요? 1923년, 미국인 아서 홀리 콤프턴(1892-1962)은 이 산란 현상이 당구공의 충돌과 유사하다고 생각했습니다. 당구공으로 다른 서 있는 당구공을 치면 두 당구공은 충돌하는 당구공의 에너지와 운동량을 공유한 다음 흩어집니다. 하얀 당구공이 멈춰 있는 빨간 당구공과 정면으로 충돌하면 하얀 당구공은 멈춥니다. 그리고 빨간 당구공은 하얀 당구공의 속도로 튀어 나옵니다. 하얀 당구공이 빨간 당구공을 가볍게 스치면, 하얀 당구공의 궤적과 속도는 거의 변하지 않고 빨간 당구공은 매우 느린 속도로 움직입니다. 중간 충돌의 경우, 충돌 후 하얀 당구공의 궤적이 입사 방향에서 더 많이 벗어날수록 속도가 더 많이 감소합니다. 이 충돌 과정은 에너지와 운동량 보존 법칙에 의해 완전히 계산됩니다. 충돌이 어떤 각도로 나뉘는지에 따라 당구공이 어떤 속도를 가지게 될지 정확하게 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 당구공과 같이 두 개의 같은 질량의 물체가 에너지 손실 없이 탄성 충돌한다고 가정해 봅시다. 충돌 후 두 물체가 갈라지는 두 궤적 사이의 각도가 항상 직각임을 증명할 수 있습니다. 콤프턴 산란에서는 충돌하는 빛의 입사 궤적과 출사 궤적 사이의 각도 차이가 클수록 주파수 차이가 더 큽니다. 당구공 충돌에서는 충돌하는 당구공의 궤적과 충돌 후 튀어나오는 궤적 사이의 각도 차이가 클수록 운동 에너지와 운동량 차이가 더 큽니다. 콤프턴은 빛과 전자의 충돌이 빛의 에너지와 운동량이 빛의 주파수에 비례한다고 가정하면 당구공 충돌처럼 설명할 수 있음을 발견했습니다. 빛의 에너지가 주파수에 비례한다는 사실은 이미 아인슈타인이 광전 효과를 통해 발견했습니다. 빛의 운동량도 주파수에 비례한다는 사실은 특수 상대성이론에서 유추할 수 있습니다. 콤프턴 산란이 중요한 이유는 빛을 당구공 같은 입자로 생각할 때 빛의 산란을 완벽하게 설명할 수 있기 때문입니다. 빛이 입자와 충돌할 때 파동 특성으로 이해할 수 있는 산란이 발생하고, 동시에 입자 특성으로만 이해할 수 있는 산란도 발생합니다. 빛이 입자이자 파동이라고 말할 수 있게 되었습니다. 광전 효과와 흑체 복사와 같은 실험들은 빛의 입자성을 증명했죠. 그리고 이중슬릿 실험은 빛의 파동성을 증명했습니다. 실험 기술이 발달해 원자나 분자같이 전자보다 훨씬 더 큰 입자로도 파동성을 관측할 수 있습니다. 그리고 콤프턴 산란 실험까지 더해져 이제 모든 물체는 입자이면서 동시에 파동이라고 말할 수 있습니다. 이것이 양자 물리학의 핵심입니다.