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책상에 놓여 있는 노란 연필을 봅시다.
눈과 뇌를 통해서 여러분은
연필에 대한 모든 정보를 수집합니다.
크기,
색깔,
모양,
거리,
그 외에 다른 정보들을요.
그런데 정확히 어떻게 이런 일들이 일어나는 걸까요?
고대 그리스인들은 최초로
빛은 무엇이고, 어떻게 우리가 볼 수 있는지
과학적으로 접근했습니다.
플라톤이나 피타고라스 같은
그리스 철학자들은
우리 눈에서 빛이 생겨난다고 생각했어요
눈으로 볼 수 없는 작은 탐침들이 나와서
멀리 있는 물체의 정보를 모을 때 우리가 볼 수 있는 거라구요.
아랍 과학자인 알하잔이
그리스 시대의 빛의 가설은 틀렸다는 것을 밝혀내는데
천년도 넘는 시간이 걸렸습니다.
알하잔은 눈에서 보이지 않는 탐침을 내보내서
정보를 모아오는 것이 아니라
눈으로 들어오는 빛을 그저 받아들이는 것 뿐이라구요.
알하잔의 가설은 그리스인들이 쉽게 설명하지 못했던
사실들을 설명할 수 있었습니다.
왜 때때로 어둠이 찾아오는지 말이죠.
몇몇 소수의 물체들은 실제로 스스로 빛을 냅니다.
빛을 내는 물체들,
태양이나
전구 같은 특별한 물체는
광원(光源)이라고 부르기도 해요
책상 위의 연필 같은
우리가 보는 물체들의 대다수는
스스로 빛을 내는 것이 아니라
광원에서 나오는 빛을 그저 반사합니다.
그래서 연필을 보면
눈에 비치는 빛이 실제로는 태양에서 비롯된 것 입니다.
빛이 수백만 마일의 빈 공간을 지나
연필에 반사되어 눈으로 들어오는 것 입니다.
생각해보면 사실 꽤나 멋진 개념입니다.
그런데 태양에서 나오는 것은 정확하게 무엇이고
어떻게 우리가 볼 수 있을까요?
원자같은 입자인 걸까요?
아니면 연못 수면의 잔 물결 같은 파동일까요?
근세 과학자들은 이 질문에 대답하기 위해
수 백년동안 고민했습니다.
아이작 뉴턴이 그 첫번째 입니다.
뉴턴은 빛이 원자같은 아주 작은 입자로 만들어져 있다고
믿었습니다. 그는 그 입자를 '작은 입자'라고 불렀습니다.
이 가설로 뉴턴은 빛의 몇몇 속성을 설명할 수 있었습니다.
예를 들면 굴절이 있어요
그 때문에 빛이 공기에서 물속을 통과해 지나갈 때
휘어서 보입니다.
하지만 과학에서는 천재들도 잘못 이해할 때가 있습니다.
뉴턴이 죽고 난 훨씬 뒤인 19세기에
과학자들이 빛이 원자 같은 입자로
만들어 지지 않았다는 것을 증명하기 위해서
일련의 실험을 했습니다.
한 예를 들면, 두 줄기의 빛이 서로 교차하더라도
서로를 전혀 방해하지 않았습니다.
만약 빛이 작은 고체의 공으로 만들어져 있다면
빛줄기 A에서 나온 입자의 일부가
빛줄기 B에서 나온 입자의 일부와 충돌할 겁니다.
이런 일이 생긴다면 충돌한 두 입자들이
사방으로 튕겨나갈 겁니다.
하지만 그런 일은 벌어지지 않습니다.
두 줄기의 빛은 서로 통과해 버리고,
두 개의 레이저 포인터와 분필 가루만 있으면
여러분 스스로 확인할 수 있습니다.
다른 예로는, 빛이 서로 간섭하여 무늬를 만든다는 것 입니다.
빛의 간섭이란 두 개의 파동이 같은 공간을 차지할 때
일어날 때 생기는 복잡한 물결무늬입니다.
고요한 연못에 두 개의 물체를 떨어뜨리면
간섭 현상을 관찰할 수 있습니다.
그리고 두 개의 광원이
서로 가까이 갈때도 관찰할 수 있습니다.
파동만이 간섭 무늬를 만들 수 있습니다.
입자들은 그렇게 하지 않습니다.
추가로 빛이 물결처럼 움직이는 것을 이해하면
자연스럽게 색이 무엇인지
그리고 왜 연필이 노란색으로 보이는지 설명할 수 있습니다
그러면 해결된거죠? 빛은 파동이죠? 그렇죠?
그렇게 판단하긴 아직 이릅니다.
20세기에 과학자들은 빛이 입자처럼
행동하는 것을 보여주는 실험을 했습니다.
예를 들면, 금속에 빛을 비추면
빛은 금속의 원자에 에너지를 전달합니다.
양자라고 부르는 비밀주머니에 에너지를 담아 나르죠.
하지만 그렇다고 빛의 간섭 현상을 잊어버릴 수는 없습니다.
그리고 빛의 양자는 뉴턴이 상상했던
작고 단단한 공도 아닙니다.
이 실험으로 빛은 입자의 성질도
파동의 성질도 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다.
이 결과는 획기적인 물리학의 새로운 분야인
양자역학을 만들어 냈습니다.
그러면 다시 처음으로 돌아가서
빛이란 무엇일까요?
글쎄요, 빛은 우리 주변에서
우리가 매일 다루는 물건들과는 다릅니다.
어떤 때는 입자처럼 행동하고
어떤 때는 파동처럼 행동하지만
정확히는 그 어느 쪽도 아닙니다.