user: 빛이란 무엇인가요?

gpt: **빛**이란 좁은 의미에서 가시광선, 즉 일반적으로 사람이 볼 수 있는 영역의 전자기파를 의미하고, 넓은 의미에서 전파, 적외선, X선 등 모든 영역의 전자기파를 의미한다. 물리학에서 주로 넓은 뜻으로 쓰인다.

user: 빛에 대한 이론은?

gpt: ## 고대 그리스와 헬레니즘
기원전 5 세기에서, 엠페도클레스는 모든 것이 네 가지 요소로 구성되었다고 한다. 불, 공기, 흙과 물. 그는 아프로디테가 4가지의 요소로 사람의 눈을 만들었다고 믿었다. 사실이라면, 다음 하나는 밤에 단지뿐만 아니라 낮에는 볼 수 있었다. 그래서 엠페도클레스는 태양과 같은 소스에서 눈에서 광선과 광선 사이의 상호 작용을 가정했다.
약 300 BC에서, 유클리드는 가정하였다. 빛이 직선으로 여행하는 것과 그는 반사의 법칙을 묘사하고 수학을 공부하였다. 그는 눈이 눈으로부터의 빔의 결과, 그는 어떻게 빛이 도달하고 만약에 그의 눈을 감으면 어떻고 밤에 눈을 열면 어떠할지 궁금해 했다. 물론 눈에서 빔이 무한대로 빠르게 이동하면 문제가 되지 않는다.
기원전 55년, 루크 레셔는 그리스의 원자론의 아이디어에 대해 썼다. 빛 과 태양의 열은 그들이 꺼지기 전 까지에는 원자로 구성되어있다. - 우주의 본질에
나중에 입자 이론과 유사에도 불구하고 루크 레셔의 견해는 일반적으로 인정되지 않았다.
프톨레마이오스 는 그의 책 광학에서 빛의 굴절에 대해 썼다.

## 고대 인도
고대 인도에서 Samkhya 와 Vaisheshika의 힌두교 학교에서 기원 후 세기 초에 빛 이론을 개발했다. Samkhya 학교에 따르면 빛은 총 요소의 밖으로 가장 기본이 되는 5가지 “미묘한” 요소이다. 이들 원소의 자성은 특별히 언급되지 않고, 그것은 실제로 연속으로 촬영 한 것으로 보인다. 한편 Vaisheshika학교는 시간과 공간 두 개의 비 원자의 물리적 이론을 주었다. 기본 원자는 지구, 물, 불, 공기이다. 광선은 테자스 원자의 높은 속도를 가져온다. 빛의 입자는 속도와 테자스 원자의 배열에 의해 다른 특성을 나타 낼 수 있다. ''Vishnu Purana''는 햇빛을 “태양의 일곱 광선”으로 말한다.
5세기의 Dignāga와 7세기의 Dharmakirti 같이 원자론의 유형을 개발한 인도의 불교는 실제로 원자 단체로 에너지 혹은 빛으로 깜빡이게 구성되어있다. 그들은 빛같은 동등한 에너지의 원자를 보았다.

## 데카르트
르네 데카르트는 빛이 lbn al-Haytham과 Witelo의 "형태"뿐만 아니라, 베이컨, Grosseteste, 케플러의 "종"을 거부하고, 발광체의 기계적 특성이었다고 말했다. 1637년에 그는 빛의 굴절 이론을 발표했다. 그의 이론은 불확실했다. 빛이 중간 밀도보다 적은 밀도보다 더 빠르게 이동한다고 가정하였다. 데카르트는 음파의 행동을 비유하여 결론에 도착했다. 비록 데카르트는 상대 속도에 대해 잘못이 있었지만, 그는 빛이 굴절을 다른 물질의 빛이 속도에 대해서 정확한 가정을 했다. 데카르트는 처음으로 기계적 비유를 사용하지 않았지만 그가 분명히 빛 발광체 및 전송 매체의 기계적 특성이라고 주장하기 때문에, 데카르트의 빛 이론은 현대 물리 광학의 시작으로 간주 한다.

## 뉴턴의 입자설
피에르 가상디는 1660년 사후에 출판 된 빛의 입자 이론을 제안 하였다. 아이작 뉴턴은 이른 나이에 가상디의 이론을 공부하고, 플레넘의 데카르트 이론에 자신의 견해를 선호했다. 그는 빛의 원천에서 모든 방향으로 방출 된 미립자 로 구성되었다고 그의 가설에 진술했다. 빛의 파동성에 대한 뉴턴의 주장 중 하나는 빛이 직선으로 이동하는 동안 파장이 장애물 주위로 구부러져 있다는 것이었다. 그러나 그는 빛 입자가 오드 지역화 웨이브를 만들 수 있게 함으로써  빛의 회절 현상을 설명했다.
아이작 뉴턴이 스펙트럼 현상을 실험할 당시 백색광이 프리즘에 의해 색이 분해되는 것은 이미 알려진 사실이었다. 이것은 어둠이 색을 변화시키거나 프리즘에 의한 굴절이 빛의 성질을 변화시키기 때문이라는 것이 그 당시의 설명이었다. 뉴턴은 프리즘에 의해서 분해된 광선 하나를 다시 프리즘에 통과 시키면 색이 더 이상 분해되지 않는 것을 실험해 보았다. 이 사실로 뉴턴은 어둠이나, 프리즘에 의한 굴절에 의해 빛의 성질이 바뀌지 않는다는 것을 알게 되었다. 그는 각각의 색에 대응되는 서로 다른 크기의 빛 입자가 존재하고, 그 입자가 각각 다른 수의 진동을 일으켜서 색을 만들어 낸다고 주장했다. 다시 말해서 가장 큰 크기의 빛 입자가 최대 진동수인 적색을 만들고, 가장 작은 크기의 빛 입자가 최소 진동수인 청색을 만들어 낸다고 했다. 1704년 뉴턴은 그의 광학 이론을 집대성한 책 광학을 출판하였다. 그 책에서 뉴턴은 "빛의 사선이 물질로부터 발사되는 작은 물체"라고 적었고, 그 이유는 이러한 물체는 같은 매질 속을 지날 때, 그림자 쪽으로 휘어지지 않고 직진하기 때문이라고 했다. 뉴턴의 명성 때문에 입자설은 18세기 동안 정설로 확고한 위치를 지켰다.

## 파동설
네덜란드 출신의 프랑스 과학 아카데미 회원이었던 크리스티안 하위헌스는 빛의 파동설을 주장했다. 그는 하위헌스 원리를 통해 파동이 전해지는 방법을 설명한 것으로 그 이름이 알려져 있다. 빛의 파동설은 프랑스의 르네 데카르트와 영국의 로버트 훅이 기초하고 하위헌스가 완성한 이론이다. 하위헌스는 빛이 교차할 때 서로 방해를 받지 않고 투과한다는 이유로 빛의 파동설을 주장하였다. 만약 빛이 입자라면 충돌로 인해 반드시 빛이 흐트러지는 것이기 때문이다. 1690년 그의 빛에 관한 이론인 ‘빛에 관한 논문’을 발간하였다. 그는 빛의 파동을 전하는 매질로 우주 전체에 정지한 상태로 퍼져있는 에테르라는 물질이 있다고 주장했다. 뉴턴의 입자설과 하위헌스의 파동설은 둘 중 우세하다는 증거는 발견되지 않았으나, 뉴턴의 명성에 의해 입자설이 더 많이 지지를 받았다.
19세기가 되어 영국의 토머스 영이 ‘빛의 간섭 실험’을 발표하면서 빛의 입자설에 대한 확실한 반론이 나왔다. ‘파동의 간섭’이란, 두 파동이 중첩되었을 때 마루들은 보강간섭을 하고 골들은 소멸 간섭을 하여 줄무늬를 만드는 현상이다. 이런 파동의 간섭현상이 빛에서도 나타난 것을 영의 이중 슬릿 실험에 의해 밝혀졌다. 이런 줄무늬를 간섭 무늬라고 한다. 1803년 런던 왕립 학회에서 처음 이 실험을 발표했을 때, 학계의 권리에 부딪혀 받아들여지지 않았다. 그러나 이후 1818년 프랑스의 오귀스탱 장 프레넬은 빛의 회절을 파동설로 설명하였고, 1850년 프랑스의 레옹 푸코가 빛의 속도를 측정함으로써 파동설이 받아들어지게 되었다.
파동 이론의 또 다른 후원자는 레온하르트 오일러였다. 그는 파동이론에 의해서 회절이 더 쉽게 설명 될 수 있다고 논쟁 했다.
1815 암페어는 Fresnel에게 아이디어를 주었다. 아이디어 내용은 빛의 편광이 횡파라면 파동설에 의해 설명 될 수 있다고 하였다.
나중에, 오귀 스탱 장 프레 넬은 독립적으로 빛의 자신의 물결 이론을 일했으며, 1817년 Académie des 과학에 발표했다.
1821년까지 프레넬은 빛의 파동성을 수학적 방법을 통해 보여줄 수 있었다. 편광이 빛과 빛이 가로일 때 어떠한 진동이 일어나지 않을 때 파장이론에 대해 설명할 수 있었다.
파동이론의 약점은 음파와 같은 빛의 파동에서는 매질이 필요하다는 것이었다.
가상의 물질인 Luminiferous aeher은 1678년 Huygens가 마이 켈슨-몰리의 실험에 의해 19세기 후반 강한 의심을 하여 제안 되었다.

## 맥스웰의 전자기 이론
가시 광선의 모든 유형 및 모든 전자파에 대한 설명으로 전자기 이론
1845년 마이클 페러데이는 직선 편광의 편광면이 광선이 자기장에 도달하였을 때 회전하는 것을 발견 하였다. 이 효과는 현재 페러데이 회전이라고도 한다. 이것은 빛이 전자기와 관련 되어있다는 증거였다. 1846년 그는 빛이 자기장 선을 따라 전파 방해의 형태임을 추정하였다.페러데이는 1847년 빛이 고주파 전자기 진동 이라고 주장하였다. 이는 심지어 매질의 부재등에 의해 에테르로 전파 될 수 있었다.
1867년 영국의 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기가 밀접하게 관련이 있고 이를 수식적으로 나타내었다. 그는 전기와 자기사이의 상호작용으로 파장이 발생되고 전파되는 것을 알아냈다. 실제 전자기력은 파동의 형태로 전파되며, 전자기파는 서로 직각으로 진동하는 전기장과 자기장의 두 성분을 갖는다. 맥스웰은 진공에서 전자기파의 속도를 계산해 본 결과 빛의 속도와 일치하는 것을 확인하였다. 그는 빛이 전자기파의 한 형태라고 결론을 내었다. 맥스웰에 빛이 파동이라는 것은 수학적으로 엄밀하게 유도되었으므로 이는 빛의 파동설을 확고히 하였다.

## 광전 효과와 입자설의 부활
빛이 금속 표면에 충돌할 때 전자가 방출되는 현상을 광전효과라고 한다. 광전효과는 1887년 독일의 헤르츠가 우연히 발견하였다. 그 당시에는 빛이 파동인 경우 발생하는 현상으로 큰 관심을 갖지 않았다. 그러나 광전효과를 조사해 보면서 빛이 파동인 경우 설명하기 힘든 현상들이 나타났다. 방출되는 전자의 에너지는 빛의 세기가 아니라 빛의 진동수에 비례하는 것이 확인되었다. 게다가 어떤 특정 진동수보다 낮은 진동수를 가진 빛이 비추었을 때 빛의 세기에 관계없이 전자가 방출되지 않았다. 이 결과는 빛이 파동설로는 설명이 불가능한 것이었다. 마침내 1905년 알베르트 아인슈타인이 빛의 입자설의 부활을 통해 이 문제를 해결하였다. 아인슈타인은 빛 입자를 광자라고 불렀고 그의 주장을 광양자설이라 하였다. 그러나 압도적으로 많은 파동설의 증거 때문에 많은 물리학자들의 반론에 부딪혔다. 아인슈타인은 그의 주장을 뒷받침하는 많은 논문을 발표하는 노력을 통해, 결국 그의 광전 효과에 대한 설명이 인정받게 되었다. 아인슈타인은 광전효과를 설명한 공로로 1922년 노벨 물리학상을 수상하였다. 이것은 결정적으로 빛의 입자와 파동의 이중성과 양자역학의 기초를 마련하게 되었다.

## 입자와 파동의 이중성
아인슈타인의 광전효과에 대한 연구와 플랑크의 결과를 토대로, 현재의 이론은 빛이 입자적 성질과 파동적 성질이 모두 가지고 있다고 설명한다. 아인슈타인은 광자의 에너지는 광자의 진동수에 비례한다고 했다. 즉, 입자적 성질을 가진 광자와 파동이 가지는 성질인 진동수를 동시해 표현하였다. 일반적으로, 모든 물질은 입자성과 파동성을 동시에 가지고 있다고 했다. 파동으로 생각했던 빛이 입자라는 것을 보였다. 입자라고 생각한 전자가 파동임을 보인 것은 프랑스의 루이 드 브로이이다. 그는 1924년 물질파 이론을 제창하여 전자가 원자핵 쪽으로 가지 않고 일정한 궤도운동을 하는 것을 설명했다. 1927년에 미국의 클린턴 조지프 데이비슨이 실험적으로 전자에 파동적 성질이 있다는 것을 증명하였다. 결국 과학자들은 빛이 파동성과 입자성 두 가지를 모두 가지고 있다는 결론을 내렸다.

## 양자이론
1900년 막스 플랑크는 흑체복사를 설명하려고 시도했다. 빛이 비록 파동일지라도 이 파동은 그들의 주파수에 관한 유한한 양의 에너지를 얻거나 잃을 수 있다고 제안하였다. 플랑크는  빛 에너지의 “양자”, “덩어리”라고 불린다. 1905년 아인슈타인은 광전 효과를 설명하기 위해 빛 양자의 개념을 사용하고 이 빛 양자가 “진짜” 존재했다고 제안하였다. 1923년 아서 홀리 콤프 턴은 파장 변화가 저가동의 X-레이가 흩어져 보인다고 보였다. 지금은 파동이론이지만 전자가 X-레이의 입자 이론에 의해 설명되었다 1962년 길버트 N 루이스는 liqht quanta particles photons라고 이름 붙였다. 결국 양자 역학의 현대이론은 입자와 파동 둘로부터 왔다. 대신 현대 물리학은 거시적인 입자, 때로는 다른 거시적인 물, 파도의 한 종류로 수학적으로 설명 할 수 있는 무언가로 빛을 보고 있지만 실제로는 완전히 상상 할 수 없는 무언가이다. 가시광은 주파수 안의 중간을 차지한다. 이것은 쉽게 파동 혹은 입자 모델 때로는 두 가지 모두를 사용하여 기술하여 실험에 표시될 수 있다.