흑체 복사

물체는 온도가 있으면 빛(전자기파)을 냅니다. 들어온 빛을 모두 흡수하는 이상적인 물체를 흑체라 하고, 흑체가 내는 빛의 세기를 파장별로 그린 것이 흑체 복사 스펙트럼입니다. 이 곡선은 물체가 무엇으로 만들어졌는지와 무관하게 오직 온도로만 정해집니다.

실험 곡선에는 두 가지 특징이 있습니다. 어떤 파장에서 봉우리를 이룬 뒤 짧은 파장 쪽에서 급격히 떨어지고, 온도가 높아질수록 봉우리가 짧은 파장(푸른) 쪽으로 이동하며 전체 세기도 크게 늘어납니다. 쇠를 달구면 붉게 → 노랗게 → 희게 변하는 것이 이 이동입니다.

문제는 고전 물리가 이 곡선을 재현하지 못했다는 점입니다. 빛이 연속적인 에너지를 가진 파동이라면 짧은 파장 쪽으로 갈수록 세기가 끝없이 커져야 한다는 예측이 나왔습니다. 실험은 정반대로 짧은 파장에서 세기가 0으로 떨어집니다.

플랑크는 진동자가 에너지를 주고받을 때 아무 값이나 가능한 것이 아니라, 진동수 $f$에 비례하는 최소 단위의 정수배로만 주고받는다고 가정했습니다.

$$E=nhf(n=1,2,3,\dots )$$

이러면 진동수가 큰(파장이 짧은) 쪽은 한 덩어리의 에너지 자체가 너무 커서 좀처럼 들뜨지 못하고, 짧은 파장에서 세기가 저절로 꺾입니다. 실험 곡선과 정확히 일치했습니다. 플랑크 자신도 이것을 계산상의 편법 정도로 여겼지만, 아인슈타인이 여기서 한 걸음 더 나아가 빛 자체가 덩어리라고 주장하면서 광전 효과와 광자 (포톤)의 시대가 열립니다.