빛줄기를 타고 올라갈 수 있을까? 반전이 있는 물리학 퍼즐

취객 둘, 손전등 하나, 그리고 도전: 빛줄기를 타고 올라가 봐라. 한 남자가 불을 켜고 동료에게 빛기둥을 기어오르라고 한다. 다른 남자는 바보가 아니므로, 기꺼이 오르겠다고 답한다—단, 중간쯤에서 상대가 스위치를 꺼 버리면 떨어질 테니까. 관객은 웃지만, 이 농담은 수십 년 동안 물리학자들을 조용히 괴롭혀 왔다.

이 연기는 중국 공연 예술의 대표 레퍼토리로, 고(故) 샹성(相声)의 대가 허우바오린(侯宝林)이 대중화했다. 익숙한 이미지—눈에 보이는 빛줄기—를 고체 물체처럼 다루기 때문에 통한다. 첫 번째 질문은 그 빛줄기가 정말 거기 있느냐다. 깨끗한 공기에서는 손전등 빛이 보이지 않는다. 우리가 보는 것은 먼지, 안개, 연기에 의해 산란된 빛이다. 빛기둥은 사물이 아니라 경로, 즉 광자가 입자에 부딪혀 눈으로 들어오는 흐름이다.

그래도 올라갈 수 있다고 치자. 광자는 운동량을 지니므로 빛줄기는 부딪히는 모든 것에 압력을 가한다—태양돛과 광학 집게(집속 레이저로 미세 물체를 붙잡아 움직이는 기술)의 원리다. 하지만 그 힘은 상상할 수 없이 작다. 주머니 손전등의 빛줄기가 내는 압력은 사람은커녕 모래알 하나도 중력에 맞서 지탱하기에 너무 약하다. 항성 규모의 탐조등이 필요할 것이다.

그다음은 스위치다. 빛은 초속 약 30만 킬로미터로 나아가므로, 손전등을 끄면 빛줄기는 연기 고리처럼 남아 희미해지지 않는다. 마지막 광자들은 거의 즉시 달아난다. 빛줄기에 올라탄 사람은 기둥이 사라져서 떨어지는 것이 아니라, 그저 어둠 속에서 평범한 중력에 따라 떨어질 뿐이다. 그런 의미에서 취객의 걱정은 이유는 틀렸지만 근거는 있다.

물리학자들은 더 정확하게 말한다. 빛은 단단한 사다리가 아니라 전파하는 전자기파다. 그 운동량은 파동 자체가 나르며, 광원이 멈추면 파동은 더 이상 방출되지 않는다. 딛고 설 구조물은 남지 않는다. 스위치를 끈 뒤 빛줄기에 무슨 일이 일어나는가 하는 질문은 사실 빛이란 무엇인가—사물인가, 사건인가, 아니면 에너지가 움직이는 방식에 대한 기술인가—라는 질문이다.

이 퍼즐은 상대성 이론에도 닿는다. 빛의 속도로 빛줄기를 탈 수 있다면, 손전등 자체의 좌표계는 이상하게 행동할 것이다—시간 지연과 광속 불변의 원리 때문에 광자를 따라잡는다는 발상은 미끄럽다. 아인슈타인은 십대 시절 빛줄기를 뒤쫓는 상상을 했고, 그 사고 실험은 그를 특수 상대성 이론으로 이끄는 데 도움을 주었다. 취객들은 나름대로 좋은 동료인 셈이다.

그래서 답은 여러 겹이다. 산란시킬 것이 없으면 빛줄기를 볼 수 없다. 미는 힘이 무시할 만큼 작아서 그 위에 설 수 없다. 그리고 빛이 꺼지면 떨어진다—기둥이 걷혀서가 아니라, 애초에 기둥이란 없었기 때문이다. 이 농담이 살아남는 것은 그것이 조롱하는 직관이 너무나 완강하기 때문이다. 우리는 빛을 고체처럼 다루지만, 빛은 우리가 아는 가장 잡기 어려운 것이다.

그래서 이 소재는 물리 교실과 과학 대중서에서 계속 되살아난다. 웃음으로 시작해 운동량, 산란, 광속으로 끝난다—일상의 사물에 관한 평범한 언어가 비범한 물리학을 숨길 수 있다는 일깨움이다. 다음에 누군가 손전등을 흔들면, 빛줄기는 거기 있다. 다만 공기 중의 무언가가 그것을 받아내고 있기 때문이다.