뜨거운 쇠는 왜 색이 변할까

대장간에서 쇠를 달구면 처음에는 어두운 빨강이었다가, 더 뜨거워지면 주황이 되고, 아주 뜨거워지면 노랑에서 흰빛으로 갑니다. 물체가 뜨거워지면 빛(전자기파)을 내는데, 온도가 높아질수록 짧은 파장 쪽 빛이 많아지기 때문입니다. 이렇게 물체가 온도 때문에 내는 빛을 열복사라 하고, 들어온 빛을 모두 흡수하는 이상적인 물체를 흑체라고 합니다.

19세기 말 물리학자들은 흑체가 내는 빛이 파장에 따라 얼마나 세게 나오는지를 계산하려 했습니다. 실험으로 측정한 그래프는 언덕 모양이었습니다 — 어떤 파장에서 가장 세고, 그보다 짧아지면 다시 약해지는 모양입니다. 그런데 당시 물리학(고전 전자기학과 열역학)으로 계산하면 파장이 짧아질수록 빛의 세기가 끝없이 커진다는 답이 나왔습니다. 계산대로라면 난로 앞에 선 사람은 무한한 자외선을 맞아야 합니다. 명백히 틀린 이 결과를 «자외선 파탄»이라 부릅니다.

1900년, 막스 플랑크가 이상한 가정을 하나 넣었습니다. 물질이 빛을 내보내거나 흡수할 때, 에너지를 아무 값이나 주고받는 것이 아니라 정해진 최소 단위의 정수배로만 주고받는다는 것입니다. 그 최소 단위를 그는 «양자(quantum)»라 불렀고, 크기는 빛의 진동수 f에 비례합니다.

이 가정을 넣자 계산 결과가 실험 그래프와 정확히 겹쳤습니다. 파장이 짧은 빛은 덩어리 하나의 값이 비싸서, 뜨겁지 않은 물체는 그 덩어리를 만들 «돈»이 모자랍니다. 그래서 짧은 파장 쪽이 저절로 억눌리고 무한대가 사라집니다.

정작 플랑크 자신은 이 가정을 마음에 들어 하지 않았습니다. 그는 계산을 맞추기 위한 임시방편이라 여겼고, 나중에 «절망적인 행동»이었다고 회고했습니다. 그러나 이 «임시방편»이 20세기 물리학 전체의 문을 열었습니다.