빛과 전파는 같은 전자기파인데 왜 상호 교란을 일으키지 않을까?

빛은 여러 가지 색을 섞으면 혼합이 되고, 전파도 여러 가지가 충돌하면 교란이 된다. 그런데 빛과 전파가 모두 전자기파며 같은 양자에 의해서 전파된다면 빛과 전파가 상호 간섭이 일어나서 혼란이 와야 되는데 왜 독자성을 유지하는걸까? 전파는 전혀 이질적인 요소인 날씨만 흐려도 방해를 받는데, 같은 종류인 햇빛에는 왜 방해를 받지 않을까? 전파가 에너지양자의 파동이라면 왜 날씨와 상관이 있을까?

먼저 빛과 전자기파의 관계를 알아보면 빛이 전자기력의 일종이라는 사실을 처음 밝혀낸 과학자는 맥스웰이다. 그는 방정식을 통해 자연의 빛을 수식화 하였다. 그리고 빛의 속도는 일정하며, 그 속도가 우주공간의 기준이 된다는 광속불변의 법칙을 발견한 과학자는 아인슈타인이다. 아인슈타인에 의하면 시간의 길이 단위는 고정된 개념이 아니라, 물체 공간의 속도와 장소에 따라 늘어났다 줄어들었다 한다는 것이다. 반대로 고정된 것은 오직 빛의 속도인데, 일반 물체가 속도의 합법칙에 따라 가속이나 감속이 되는 것에 반해, 광속도는 이런 일이 일어나지 않고 불변으로 고정되어있다는 것이다. 이때부터 이전과는 다른 광속을 기준으로 하는 4차원 시공간이 나타나게 된다.

한편 빛은 광입자, 즉 파동이자 입자라는 것을 밝혀낸 것은 최근에 이르러서이다. 그리고 이러한 광입자는 에너지를 가지고 있는데 이를 양자에너지라고 한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 우리 눈에 보이는 하늘은 빛으로 가득차 있고, 그 빛에는 전자기력이라는 힘이 내재되어 있으며, 그 힘은 그냥 정지해 있는 힘이 아니라 광속으로 운동하는 에너지인데 그것이 양자에너지라는 것이다.

그럼 전자기력의 일종이자 양자에너지인 빛에는 어떤 요소들이 내포되어 있을까? 앞에서 빛은 전자기파의 일종이라고 밝혔다. 이 중에서 인간의 맨눈으로 볼 수 있는 광선을 가시광선이라고 하는데, 이는 파동에 따라 7가지 색인 빨주노초파남보로 구분되어 나타난다. 색은 빛의 파동이라는 사실을 처음 밝힌 과학자는 뉴턴이다. 그는 프리즘 실험을 통해 빛이 파동에 따라 무지개 색으로 분리되는 것을 확인했다.

그렇다면 인간의 맨눈으로는 볼 수 없는, 비가시광선에는 어떤 것이 있을까? 적외선과 자외선이 있는데, 적외선은 이름 그대로 적색의 외곽에 있는 파동이고, 자외선은 이름 그대로 자색의 외곽에 있는 파동이다. 따라서 자외선과 적외선을 합하여 빛의 색깔을 나타내면 9가지의 색이 된다. 즉 눈으로 볼 수 없는 적외선과  자외선을 임의의 흑백으로 표현하면 빨주노초파남보흑백이 된다.

무지개 색을 일렬로 배열하지 말고 원형으로 배열하여 빈곳을 적외선과 자외선으로 채우면 우리는 빛의 구성요소를 좀 더 정확히 이해할 수 있을 것이다.

이처럼 우리가 일상에서 접하고 있는 빛에는 우리가 미처 알지 못했던 수많은 현상과 비밀들이 숨어있고, 그 비밀은 계속해서 발견되고 있다. 현대판 요술램프라고 불리는 스마트폰도 빛이라는 양자에너지를 이용한 것이다. 이 지구상에 수십 억 개의 스마트폰이 보이지 않는 선으로 연결되어 있는데 어떻게 하여 일대일 통신이 가능할까? 무수히 돌아다니는 수많은 신호들 중에서 딱 한 가지만 연결되어야 하는데, 이게 가능하게 하려면 빛이라는 양자 에너지는 어떠해야 할까?

역설적이게도 질문에서 거론한 교란, 간섭, 방해, 혼란, 혼합이 있어야 양자에너지의 의한 일대일 무선통신이 가능해 진다. 좀 더 싶이 있게 설명하면 이러한 교란, 간섭, 방해 등을 양자적으로 비틀림 진동이라 할 수 있는데, 이 비틀림 진동에 맞서서 일대일로 반응하게 하는 진동을 공명 진동이라고 부른다. 양자세계에서는 비틀림 진동과 공명 진동이 공존하기 때문에 일치하는 전파와 불일치하는 전파가 공존하여 필요한 경우에 전파 공명을 시켜 일대일 통신이 가능하게 하는 것이다.

이상의 지식을 토대로 이제, 빛이 전자기파라면 왜 전파와 간섭을 일으키지 않는지를 설명해보면 현대과학은 빛의 스펙트럼분석을 통해 빛이라는 전자기파가 간섭되는지, 공명되는지, 거리가 얼마나 떨어져 있는지 등을 분석해내고 있다. 파장이 길면 적색 쪽이, 온도가 높아지면 청색쪽이 변한다. 여기에 다시 선스펙트럼을 적용하고, 원자 단위에서 나오는 빛을 분석하여 무지개 색의 가로줄 스펙트럼에 세로줄이 어떻게 배열되느냐에 따라 또 동종인지, 이종인지를 구별한다.

이와 같이 빛이나 전자기파동 등을 분석하는 기재가 발달하면서 태양이 발산하는 양자에너지 파동과 물질이 발산하는 양자에너지 파동은 서로 다르다는 걸 알게 되었다. 결론적으로 우리가 살고 있는 시공간을 이루는 빛과 그 속에 내재된 파동에는 여러 종류가 있음을 알 수 있다.

아무튼 전파를 방해하는 요소에는 반드시 물질이 개입되어야 한다. 그런데 빛이 내는 전자기파는 물질이 아닌 반물질 양자이며 전자기력이다. 따라서 이 둘은 파울리의 배타원리가 작동하는 공간에서 상호 중첩되게 존재하지 않는다. 전파는 입자이자 파동으로 같은 공간에 동일한 파동수가 동시에 2개 이상 존재할 수 없다. 그러므로 빛은 전파를 간섭하여 방해하는 요인이 아니다.