2-2. 흑체복사 — 양자역학이 탄생한 계기

1900년 12월 14일, 물리학이 갈라진 날

물리학의 역사에서 가장 극적인 순간을 하나만 고르라면, 많은 물리학자가 이 날을 꼽을 것이다.

1900년 12월 14일, 독일 물리학회 모임. 42세의 막스 플랑크(Max Planck)가 단상에 올랐다. 그는 조심스럽고 보수적인 사람이었다 — 혁명가와는 거리가 먼 인물이었다. 하지만 그날 그가 발표한 짧은 논문은 물리학의 역사를 고전과 양자, 둘로 갈라놓았다.

플랑크는 "뜨거운 물체가 내놓는 빛"의 스펙트럼을 설명하기 위해, 자신도 믿기 어려운 가정을 도입해야 했다:

"에너지는 연속적이 아니라, 작은 덩어리(quantum)로만 주고받을 수 있다."

이 한 문장이 양자역학의 씨앗이었다.

그런데 이 이야기의 진정한 매력은, 플랑크가 이 아이디어에 도달하게 된 과정에 있다. 왜 뜨거운 물체가 내놓는 빛이 그토록 큰 문제였을까? 고전물리학은 왜 그렇게 처참하게 실패했을까? 그리고 이 모든 것이 앞 절에서 배운 보손의 통계와 어떻게 연결될까?

지금까지의 이야기

앞 절에서 우리는 양자 세계의 모든 입자가 보손과 페르미온, 정확히 두 부류로 나뉜다는 것을 배웠다. 보손은 같은 양자 상태에 여러 입자가 모일 수 있고, 페르미온은 하나의 양자 상태에 하나만 들어갈 수 있다.

그런데 이 보손-페르미온 분류가 처음으로 역사의 무대에 등장한 것은 추상적인 이론이 아니라, 매우 구체적이고 실용적인 문제 — 뜨거운 물체가 내놓는 빛의 색깔 분포 — 에서였다. 이 문제가 바로 흑체복사(blackbody radiation) 문제이다.

이제 그 이야기 속으로 들어가 보자.