빛 이야기 (1) 빛이란 무엇인가? (상)

빛 이야기 (1) 빛이란 무엇인가? (상)

빛 이야기 (1) 빛이란 무엇인가? (상)

얼마전 같은 조명을 하는 후배가 세미나 시간에 빛에 대한 내용을 정리해서 발표를 하였습니다. 고등학교 물리시간으로 돌아간 듯한 내용이었습니다. 빛의 입자설과 파동설, 양자역학, 상대성 이론등 들어보긴 했지만 전혀 알지 못하는 내용이었습니다. 고등학교때 좀 열심히 했어야 했나요?
빛을 다루는 일로 먹고 사는데 빛에 대해서 이렇게 아는게 없다는 것이 충격적이기도 했습니다. 물론 조명을 하는데는 크게 도움이 될것 같지는 않습니다. 너무 깊게 들어가면 머리가 아프고 이해하기도 쉽지 않아서 상식적으로 필요한 “알쓸신잡”정도의 지식 정도로 알아보려고 합니다.

빛이란 무엇인가?
일상생활에서 빛이라는 것을 자연스럽게 생각하면서 살아갑니다. 공기, 물, 빛과 같은 물질은 항상 존재하는 것이라 고민할 필요가 없기도 합니다. 하지만 누군가 “빛이란 무엇인가?”라는 질문을 한다면 대답할 수 있는 사람은 그렇게 많지 않을 것입니다.
빛에 대한 정의는 우리뿐만 아니라 저명한 천재 과학자들에게도 어려운 과제였습니다. 고대에서 시작된 빛에 대한 논쟁은 마치 재미있는 영화를 보는 것처럼 반전에 반전을 거듭합니다. 아직도 명확한 결론이 나지 않은 현재 진행형입니다. 그 중 가장 유력한 이론은 입자설과 파동설입니다.

빛은 입자다?
만유인력의 법칙으로 잘 알고 있는 고전 물리학 종결자 뉴턴은 빛은 수많은 알갱이로 구성되어 있다는 입자설을 주장했습니다. 아래 그림과 같은 실험에서 프리즘을 이용하여 백색광은 색깔을 지닌 입자들의 혼합광이라는 사실을 발견했고 분리된 단색광 중 하나를 또다시 프리즘을 통과시키면 더이상 색분해가 이루어지지않는다는 사실을 알아냈습니다. 이를 통해 빛은 색깔을 지난 개개의 입자이고 우리는 눈의 망막에 부딧치는 입자를 통해 다양한 색을 구분할 수 있다고 주장했습니다. 또한 광원에서 방출되어 빠른 속도로 공간을 퍼져나가는 작은 입자의 흐름으로 빛의 성질인 직진, 반사, 굴절현상을 설명했습니다. 입자설에 의해면 매질 속에서 속도가 더 빨라지게 되는데 1850년 푸쿠의 실험에서 물 속에서 빛의 속도가 느려진다는 사실을 통해서 오류가 있다는 것이 밝혀졌습니다. 하지만 당시에 뉴턴의 명성에 힘입어 여러가지 오류에도 불구하고 입자설은 점점 더 명성을 얻게 됩니다.

뉴턴의 “프리즘 실험”

빛은 파동이다?
네덜란드 물리학자 호이겐스는 빛의 파동성에 근거해서 또다른 빛의 성질인 간섭과 회절현상을 설명하려고 시도 했습니다. 이 주장은 영국의 과학자 토마스 영의 유명한 “ 이중 슬릿 실험”에 의해 입자설을 제치고 빛이 파동을 가졌다는 것을 증명했습니다. 이 실험은 아래 그림과 같이 빛을 단일 슬릿에 입사 시켜 이중 슬릿을 통과하여 스크린에 나타나는 현상을 관찰하는 것입니다. 만약 뉴턴의 주장대로 빛이 입자라면 회절과 간섭의 성질이 없으므로 간섭무늬가 나타나지 않아야 합니다. 하지만 영의 실험의 결과로 간섭무늬를 확인함으로써 빛의 파장을 최초로 밝혀내게 되었습니다. 또 프랑스의 물리학자 프레넬(Fresnel)은 호이겐스의 원리를 활용하여 빛의 회절 현상을 밝혀냈습니다. 프레넬(Fresnel) 렌즈가 이 물리학자가 개발한 렌즈입니다.

토마스 영의 “이중슬릿 실험”

프레넬의 “회절현상”

여기서 잠깐!!
프레넬(Fresnel)렌즈는 프랑스의 물리학자 프레넬이 개발한 렌즈입니다. 등대에서 사용하는 대형 볼록렌즈를 저렴하고 간편하게 만들기위해 개발했습니다. 원래 사용하던 볼록렌즈의 곡면을 잘게 나누어 빛이 프레넬렌즈의 곡면을 통하여 굴절되어 볼록렌즈와 같은 역활을 할 수 있게 만들었습니다.

파동설의 바통을 이어받아 맥스웰은 전자기파 이론을 내놓았습니다. 빛은 전자기파이며 서로 직각을 이루고 있는 전기장과 자기장의 진동이 전파되는 방향에 따라서 이동한다고 설명했습니다. 또한 전기나 자기를 가진 물체의 주변에 전자기장이 존재한다는 개념을 만들었습니다. 즉 전자기장이 에너지를 가지고 빛도 전자기장의 일종으로 전기 에너지로 변화하기도 하고 우리의 피부를 태우기도 합니다. 눈에 보이지 않는 무언가가 공간을 메우고 그것이 에너지를 가지고 있다는 사실은 당시로서는 획기적인 생각이었습니다. 전자기파는 우리 눈에 보이지 않는 “에테르”라는 매질의 진동으로 퍼져나간다고 생각했습니다. 맥스웰은 빛이 파동이라는 사실을 이론적으로 증명했지만 살아있을 때에는 학계에서 인정을 받지 못했습니다. 그가 죽고 난 뒤 독일의 물리학자 헤르츠가 인공적으로 전자기파를 만들고 뢴트겐이 전자기파의 일종인 X선을 발견하면서 빛의 입자설은 역사속으로 사라졌습니다.

하지만 이러한 파동설에도 플지 못한 점이 있었습니다. 바로 빛이 “에테르”라는 매질을 통해서 전달된다는 것이었습니다. 여러 물리학자들이 실험을 통해 에테르의 존재를 증명하려했지만 실패했습니다.

현대 물리학에서도 계속되는 빛에 대한 논쟁은 다음편에서 이어가겠습니다.