보이는 빛 보이지 않는 빛

눈에서 빛이? 눈으로 빛이?

"태초에 하느님께서 빛이 있으라하자 빛이 생겨났다." "우주는 큰 폭발(Big Bang)로부터 시작됐다." 이것이 신화와 과학이 말하는 빛의 탄생 시나리오이다. 이에 대해 저마다의 믿음은 다르지만 사람들은 오랜 옛날부터 빛을 삶의 일부분으로 인정하며 이용해왔다. 나일강에서 발견된 기원전 1900년대의 고대 이집트 유적에서 발견된 구리판을 닦아 만든 거울이 그 예. 이런 것이 도구를 사용해 빛을 생활에 이용한 예다. 또 고대 로마 유적에서는 각종 유리제품을 깍아 만든 렌즈가 발견되기도 했다. 예를 들어 네로 황제는 에머럴드를 눈에 대고 검투사들의 경기를 관람했고, 세네카는 유리공에 물을 채워 렌즈로 이용했다고 한다. 이러한 렌즈의 사용은 13세기 이후부터 안경에 이용됐다.

빛을 가장 드라마틱하게 이용한 사람은 아르키메데스다. 시라쿠사의 왕 히에론 2세는 로마의 공격을 예상하고 군사기술자로 아르키메데스를 임명했다. 그는 방패거울을 렌즈 형태로 배치해 로마군의 배에 태양광선을 집광시켜 불을 냄으로써 적들을 두려움에 떨게 했다.

빛에 관련된 이론이 등장한 것은 고대 그리스 시대부터다. 기원전 300년경 유클리드는 빛은 항상 직진하는 성질을 가진다고 주장했다. 아르키메데스는 빛은 물질이 아니라 감각으로 느끼는 것이라고 했다. 프톨레마이오스는 빛의 입사각과 반사각이 일정한 비율을 이루는 것을 확인했다. 또 별빛이 대기권에 들어올 때 굴절되기 때문에 별이 실제 위치보다 가깝게 보인다고 했다.

고대 그리스인들은 눈에서 빛이 나와 물체로 가기 때문에 사물을 볼 수 있다고 했다. 아리스토텔레스가 눈을 감으면 아무것도 볼 수 없다고 한 것과 같은 맥락이다. 어둠속에서 색깔이 보이지 않는 것도 빛이 없는 것이기 때문이지 색깔이 없어지는 것은 아니라고 해석했다. 반면 데모크리토스를 중심으로 하는 원자론자들은 빛을 이루는 원자가 물체에 부딪힌 후 다시 눈에 들어와 인식되는 감각으로 색깔을 보고, 빛이 없는 곳에서는 색깔도 존재하지 않는다고 생각했다.
 

과학이 말하는 빛의 탄생은 우주의 큰 폭발에서 비롯된다.

보이지 않는 빛 등장

렌즈, 현미경, 망원경 같은 광학기기가 등장하면서 사람들은 색깔로 드러난 빛의 모습속에 감춰진 많은 정보를 밝혀내게 된다. 특히 뉴턴은 빛에 대해 가장 체계적인 이론을 제시한 과학자로 알려져 있다. 빛이 프리즘을 통해 분산되는 것을 굴절률로 설명한 것과 물체가 색깔을 나타내게 되는 것을 빛의 반사와 흡수로 설명한 것이 그 예다.

눈에 보이는 빛만을 보던 시대는 지나가고 19세기 들어 보이지 않는 빛이 등장한다. 1802년 윌리엄 허셀은 태양빛의 스펙트럼에서 빨간색을 지난 곳의 온도계 온도가 계속 높아지는 것을 발견했다. 이를 멜로니가 1830년경에 눈에 보이지는 않지만 빨간색 바깥부분에 빛이 있으며, 이 빛도 가시광선처럼 반사하고 굴절한다는 것을 알아낸다. 1801년 독일의 리터는 보라색을 넘어선 곳에 있는 광선이 감광작용이 있음을 알아냈다. 결국 1881년 스펙트럼 분광기를 개발한 랭글리에 의해 적외선과 자외선의 존재가 밝혀진다.

이후로는 1895년 독일의 뢴트겐이 음극선을 연구하다 눈에 보이지 않는 광선을 발견하고 X선이라고 불렀다. 또 프랑스의 베크렐과 폴란드의 퀴리부부에 의해 1896년과 1898년 잇따라 우라늄과 라듐에서 방사선을 발견하면서 가시광선보다 훨씬 짧은 파장의 광선들이 등장한다. 이로써 보이는 빛보다 보이지 않는 빛이 더 많다는 사실이 밝혀진 셈이다.
 

빛이 프리즘을 통해 분사되는 것을 굴절률로 설명한 뉴턴은 빛에 대해 가장 체계적인 이론을 제시한 과학자다.

투명하다는 뜻은?

빛의 근원은 태양이다. 다른 원천을 찾는다면 우리가 일상생활에서 사용하는 백열등, 형광등같은 전구를 들 수 있다. 그렇다면 빛은 어떻게 만들어지는 것일까. 빛은 한마디로 에너지다. 태양에서는 오는 빛은 2개의 수소 원자가 1개의 헬륨으로 융합되면서 생기는 질량 결손이 에너지로 방출된 것이다. 또 형광등에서 보는 빛은 원자의 각 궤도에서 전자가 전이할 때 일어나는 현상이다. 전자가 에너지가 높은 궤도에서 낮은 궤도로 이동하면 전자의 에너지 차이 만큼이 빛으로 방출된다.

전자의 전이에서 만들어지는 빛이 방출되는 것처럼 빛은 전자의 가속운동으로 만들어진다. 이는 변화하는 전기장과 자기장의 모습으로 나타나기 때문에 전자기적인 현상이라고 한다. 빛을 전자기파로 부르는 이유다. 앞에서 우리는 많은 전자기파의 종류를 언급했다. 각각은 고유의 파장영역을 가지고 있으면서 우리 주변에서 다양한 모습으로 사용된다. 이렇듯 다양하게 보이는 빛들도 사실 알고보면 보편적인 특성을 가지고 있다. 이제 주변에서 그냥 지나쳤던 현상들을 가지고 빛의 성질을 탐색해 보기로 하자.

우리는 매일 거울을 보면서 거울속의 자신과 만난다. 즉 외부의 빛이 우리 몸에서 반사돼 나간 것을 거울에 반사해 보는 것이다. 거울에 빛을 비추면 눈이 부시다. 이것은 거울에 비춘 빛이 반사됐기 때문이다. 이 때 빛은 일정한 규칙을 따른다. 그것은 다름 아닌 입사각과 반사각이 같다는 것.

유리와 책의 차이점을 빛과 관련지어 얘기하라면 무엇을 말할 수 있을까. 가장 손쉬운 대답은 유리는 투명하고 책은 불투명하다는 것일 것이다. 우리 주변의 대부분의 물질은 불투명하다. 왜냐하면 이들은 빛을 재방출하지 않고 흡수하기 때문이다. 빛이 어떤 물질과 만나면 물질속의 전자는 진동한다. 빛이 물질과 만날 때 물질이 반응하는 방식은 빛의 진동수와 물질내 전자의 고유 진동수에 따라 다르다. 유리를 예로 들어 보자. 유리로 들어간 가시광선은 유리의 전자들을 진동시킨 후 다시 방출된다. 이런 물질을 가시광선에 대해 투명하다고 한다. 그러나 빛에 의한 진동이 열에너지로 변해 물질의 온도를 높일 뿐 재방출되지 않으면 불투명하다고 한다.

이 때 한가지 알아둬야 할 것이 있다. 유리가 투명해 보인다고 해도 모든 빛이 반사되는 것은 아니다. 유리의 전자들은 자외선 영역의 고유진동수를 가지고 있다. 따라서 자외선이 유리에 비춰지면 공명현상이 생긴다. 공명진동하는 유리의 원자는 꽤 오랫동안(약 10억분의 1초) 자외선의 에너지를 가지고 있게된다. 이 시간 동안 원자는 약 1백만번 진동하고 주위의 원자와 충돌하며 자신의 에너지를 열로 방출한다. 이런 경우 유리는 자외선에 투명하지 않다고 한다.
 

공작

아스팔트 위의 신기루

여름철 수영장에서 본인의 다리가 짧아 보였던 것을 경험한 적이 있을 것이다. 또 물속에 놓여진 동전은 실제 깊이보다 수면에 더 가까이 있는 것처럼 보인다. 사실은 다리의 길이가 변한 것이 아니라 다리를 보게 하는 빛이 물속을 통과하면서 생긴 일이다. 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 꺾이는 것을 굴절이라고 한다. 또 같은 매질이라도 온도가 달라 밀도가 변하면 빛의 진행방향이 꺾인다. 굴절의 원인은 매질마다 빛의 속도가 다르기 때문이다. 진공중에서 빛의 속도는 30만km이지만 다른 매질 속에서는 이보다 느려진다. 공기 중에서의 광속은 진공중에 비해 0.03% 작아 매질의 차이를 거의 느낄 수 없다.

어떤 경우에는 대기에 의한 굴절현상이 현저하게 나타나기도 한다. 신기루가 그 예. 무더운 날 지면 근처의 공기는 뜨겁게 달아오른다. 더운 공기의 분자들은 서로 멀리 떨어져 있기 때문에 빛은 지면 근처의 공기를 통과할 때 상층부에서보다 빠르게 진행한다. 지면에 가까울수록 빛의 속도가 빨라지기 때문에 광선은 점차 위쪽으로 휘어진다. 이렇게되면 물체들이 마치 매우 큰 각으로 입사해 커다란 바닥 거울에 반사된 것 같이 관찰자의 눈에 비친다.

이런 현상은 뜨거운 아스팔트 위를 걸을 때나 운전할 때 경험할 수 있다. 마치 땅바닥에 물이 얇게 고여 있는 곳에 하늘과 자동차, 나무들이 반사되는 것처럼 보인다. 하지만 이것은 하늘에서 온 빛이 뜨거운 공기층을 통과하면서 굴절된 것이다.

밤하늘의 별이 반짝이는 것처럼 보이는 이유도 별빛이 대기 중의 불안정한 공기층을 지날 때 굴절하기 때문이다. 이는 별을 관측해야 하는 천문대가 산꼭대기에 위치해야 하는 이유가 된다. 물론 고산지대에 있는 천문대가 있는 것은 대기에 의한 산란을 막기 위함이 더 큰 이유다. 대기층을 통과하기 전 별빛을 관측할 수 있다면 더 좋다. 그래서 허블망원경은 우주 공간에 설치돼 있다.

새 깃털이 아름다운 이유

비눗방울 같은 얇은 막은 간격이 아주 좁은 두 개의 표면을 가지고 있다. 한 표면에서 나온 빛은 다른 표면에서 나온 빛에 의해 상쇄될 수 있다. 예를 들어 막의 어떤 곳은 그 막사이의 두께가 파란 빛에 대해 상쇄 간섭을 일으키기에 가장 알맞다고 하자. 만일 그 막에 백색광을 비추면 그 막에서 반사돼 돌아오는 파란 빛은 없다. 이때 우리는 파란색의 보색인 노란색을 보게된다. 만약 막의 어떤 부분에서 초록빛이 상쇄되면 비누막은 붉은빛을 띠게된다. 조개껍데기의 내부에서 반사되는 아름다운 빛깔도 조개의 얇고 투명한 막에서 빛이 간섭해 나타나는 것이다. 젖은 땅 위에 기름이 떠 있을 때 보이는 아름다운 색깔들은 얇은 막의 두께에 따라 달라진다. 따라서 색깔들은 미세한 표면의 굴곡을 보여준다.

수영복 침투하는 적외선 투시 카메라

사람이 이 세상의 모든 아름다운 현상을 볼 수 있는 것 같아도 실제로는 볼 수 없는 세상이 더 많다. 우리가 보는 것은 가시광선의 세상. 하지만 동물들 특히 곤충은 가시광선뿐만 아니라 자외선의 영역까지를 보는 것이 많다. 예를 들어 꿀벌은 해가 구름에 가려도 자외선을 감지하기 때문에 해의 위치를 쉽게 알아낸다. 또 나비도 꽃에서 반사된 자외선은 잘 본다. 특히 꿀샘은 자외선을 잘 반사해 나비나 벌들이 꿀샘을 쉽게 찾을 수 있다.

만약 사람이 가시광선 이외의 광선을 보게된다면 우리가 보는 세상은 지금과는 훨씬 다를 것이다. 특히 투과성이 좋은 적외선을 본다면... 이 상상은 어느정도 실현에 옮겨졌다. 그것은 다름아닌 '적외선 투시 카메라'. 적외선 투시카메라는 특수 적외선 필터를 렌즈에 장착해 옷속의 몸을 훤히 볼 수 있게 만든 장비다. 가시광선보다 파장이 긴 적외선이 피사체에 깊숙이 침투하는 것을 응용한 것이다. 즉 가시광선은 옷 표면에서 반사되지만 적외선은 옷을 통과하기 때문에 가능한 일. 옷을 통과하고 몸에서 반사된 적외선을 포착해 영상으로 만드는 것이 기본 원리다.
적외선은 파장이 8천-1만Å으로 가시광선보다 길어 침투성이 좋다. 흔히 '열적외선 사우나'라고 하는 것도 적외선의 침투력을 땀빼기에 이용한 것이다. 이외에도 교량의 균열을 조사할 때 사용하는 비파괴 검사에도 적외선이 이용된다. 카메라에 부착된 적외선 필터는 옷표면에서 반사된 가시광선과 그 이외의 빛은 통과시키지 않고 피부에서 반사된 적외선만 통과시킨다. 통과된 적외선은 흑백영상으로 화면에 나타난다.
적외선 카메라로 인체의 내부를 보기 위해선 옷이 얇아야 하고 인체에 밀착될수록 효과가 높다. 왜냐하면 옷이 헐렁해 굴곡이 있으면 적외선이 굴절되고 간섭을 일으켜 선명한 상을 얻기 어려워지기 때문이다. 물론 흐리고 비오는 날 태양빛이 구름에 의해 흡수돼 적외선이 지상에 도착하기 어려운 날보다는 말고 밝은 날이 적당하다.
 

과학동아