2.1. 때 이른 시작
빛은 항상 사람을 매료시키는 자연 현상 중 하나이다. 고대 철학자들은 무지개와 같은 대기 현상에 대해서도 자세하게 다루었지만 타당하게 설명해내지는 못하였다. 예를 들어 아리스토텔레스(Aristotle)는 무지개가 빨간색, 녹색, 그리고 보라색의 낫 모양으로 이루어져 있다고 한 반면에, 로마의 시인 버질(Virgil)은 무지개 속에서 수천 개나 달하는 색깔을 보았다고 하였다. 이후에도 무지개는 비밀이 드러나는 그 날까지 수백 년 동안 사람들의 마음속에 풀어야 할 숙제로 자리 잡아 왔다.
2.2. 빛은 얼마나 빠른가?
그로부터 약 600년이 지난 이후에 르네 데카르트(René Descartes)는 소의 눈을 해부하여 관찰함으로써 소의 망막에 일정비율로 축소된 외부 세계에 대한 상을 발견하였다. 또한 천문학자인 요하네스 케플러(Johannes Kepler)와 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)도 인간의 눈은 외부로부터 도달된 빛을 단지 시각화한다고 하였다. 그렇다면 다음의 질문이 남는다. "과연 빛은 무엇이며, 어떻게 눈으로 들어가는 가?"
데카르트는 우주 전체가 액체와 같은 물체로 차 있다는 공간 충만 이론(theory of plenum)을 주장하였고, 빛의 속도에 대한 논쟁이 시작되었다. 갈릴레이는 실험을 통해서 이를 밝혀내고자 했다. 초기 멀리 떨어진 동료에게 빛을 보내는 실험은 실패하였고, 이 후 1675년 덴마크의 물리학자 올레 뢰머(Ole Rømer)는 목성의 위성이 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이 그 시점에서의 지구와 목성의 사이의 거리에 따라 달라지는 것을 관측하여 처음으로 빛의 속도를 측정하였다.
2.3. 빛은 입자인가? 파동인가?
2년 후 크리스찬 호이겐스(Christiaan Huygens)는 빛의 속도를 초당 230,000 km 가 되어야 한다고 주장했는데 오늘날 측정된 정확한 빛의 속도[1]와 비교해 약 20%의 오차가 있다. 또 빛의 파동설을 주장하였으나, 뉴턴 등의 많은 과학자들의 반대를 받았다.
뉴턴은 태양 빛이 프리즘에 들어와 프리즘의 다른 면을 통해 여러 색으로 갈라지는 현상을 발견하였고, 데카르트는 하늘에서 무지개가 어느 각도 이하에서 나타나는지 계산해내었다. 데카르트는 태양 빛이 공기 중의 물방울에 의해 굴절되며 물방울의 내부에서 반사되어 결국 분산되어 보인다는 것을 명확하게 설명하였으나, 바로 이 원리에 따라 무지개 색깔이 나타난다는 것을 파악해내지는 못하였다.
뉴턴은 프리즘에 대한 그의 실험을 기초로 백색광이 다른 여러가지 색의 가벼운 미립자들을 포함하고 있다고 생각하였고, 그 미립자는 각각 다른 굴절률을 가지고 있어서 프리즘에 들어갈 때 미립자마다 정도가 다르게 편향된다고 생각하였다. 그리고 프리즘을 통과한 빛을 다시 역으로 보내는 과정에서 프리즘 사이 각을 적당히 유지시키면 결국 백색광을 만들 수 있음을 알게 되었다. 이후 1704년 뉴턴은 '광학'이라는 책에서 빛의 입자이론과 무지개 색에 대해 상세히 기술하였다.
뉴턴의 이론은 대부분의 과학자들에게 영향을 미쳤으나, 레오날드 오일러(Leonhard Euler)는 안할트 데사우(Anhalt-Dessau) 공주와 교환한 서신에서 뉴턴의 미립자 이론을 강하게 부정하고, 호이겐스의 이론을 지지하며 빛이 음파와 같이 에테르(ehter)라는 매질(medium)에 의한 파동으로 전파된다고 주장하였다. 1746년 오일러는 '빛과 색에 대한 새로운 이론'이라는 제목으로 그의 파동 이론을 공개하였으나, 이전부터 중요한 광학적 현상인 회절(diffraction)에 대한 설명이 포함되지 않았다.
2.4. 호수의 물결
1801년 토마스 영(Thomas Young)은 두 마리의 오리가 헤엄치고 있는 연못가에서 두 개의 파동이 서로 교차하여 어떤 곳은 서로 보강되고, 어떤 곳은 서로 소멸하는 것을 관찰하였다. 이러한 중첩(superposition)과 간섭(interference)의 원리가 빛의 경우에도 적용될 수 있다는 가설을 이중슬릿 실험[2]을 통해 증명하였고, 이는 뉴턴의 입자 이론으로는 설명할 수 없다.
영은 빛의 간섭을 역이용하여 빨간색 빛의 파장은 0.7㎛(1㎛ 는 1㎜의 천분의 일), 보라색은 0.4㎛ 를 계산하였고, 오늘날의 실제 값에 매우 근접하다.
1821년 어거스틴 프레넬(Augustin Fresnel)은 빛의 파동이론을 확장시켜서, 종파인 음파와는 달리, 광파가 수면에서 물 분자와 유사한 형태인 횡파라고 제안하였다. 수면파는 물 표현에 평행하게 파동을 전달하며 물의 분자는 위아래로 움직인다. 즉 파의 진행방향과 수직으로 진동한다.
빛이 횡파라면 매질의 진동방향은 파의 진행방향과 수직인 어떤 임의의 방향이 되고, 빛의 진동방향과 일치하는 빛을 선별해낼 수 있게 된다. 즉, 편광(polarization)이 될 수 있다. 어떤 물질은 빛을 받으면 다른 빛들은 반사해버림으로써 어느 한 방향으로 빛을 편광시키게 되며, 또 다른 물질들은 빛을 받으면 각 방향으로 속도가 다르게 진행하는 편광빛을 만든다.(이 현상을 복굴절이라고 한다.)
빛을 역학적으로 설명하려면 반드시 광파를 전달하는 매질(에테르)이 있어야 하고, 빛의 속도를 감안하면 매질은 믿을 수 없을 만큼 단단해야 한다. 다시 말해, 줄에서 파동이 전달되는 것과 같은 방법으로 빛이 전파되려면 줄의 장력은 매우 커야 한다. 그리고 빛이 어느 공간에나 동시에 전파되려면 우주는 매질(에테르)로 가득차야한다.
2.5. 스파크 전송
많은 과학자가 빛의 역학적 문제에 집착해 있는 동안 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 1831년 전자기 유도[3] 현상을 발견했다. 패러데이는 철가루를 사용하여 막대자석의 자기장을 시각화시켰고, 전기장은 파동이라는 것을 밝혀냈다.
2.6. 에테르를 찾아서
약 20년 후 제임스 맥스웰(James Maxwell)은 패러데이의 관찰을 기초로 전기장과 자기장에 대한 파동 방정식을 발표하고, 이를 통해 전자기파(electromagnetic wave)의 속력을 예측하였는 데 그 속력은 그 시대에 알려진 빛의 속력과 거의 동일하였다. 이 후 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)에 의해 빛이 전자기파이며, 전기와 자기장의 진동임이 실증되었다.
1887년 알버트 마이캘슨(Albert Michelson)과 에드워드 몰리(Edward Morley)는 빛의 매질로 알려진 미지의 매질(에테르)의 존재를 밝히기 위해서, 지구가 태양을 중심으로 시간당 30km 씩 움직인다는 사실을 이용하여 '에테르 바람'의 속력을 측정하는 실험[4]을 진행하였으나, 반대로 '에테르 바람'은 전혀 존재하지 않는다는 것을 밝혔다.
2.7. 아인슈타인의 등장
마이켈슨-몰리의 부정적인 결론 후 20년이 되지 않아서 아인슈타인은 에테르에 대한 문제를 고심하기 시작했고 드디어 공간과 시간에 대한 새로운 개념을 구상해내기에 이른다. 1905년 아인슈타인은 자연에서 빛보다 빠른 것은 허용되지 않는다는 특수 상대성 이론을 발표한다. 아인슈타인에 의하면 지구가 움직이는 방향에서도 빛의 속도에 지구가 움직이는 속도가 더해지지 않는다.
[1] 진공이나 매질이 없는 공기 중에서 299,792,458m/s. 약 초속 삼십만 킬로미터이며 음속(340m/s)의 약 88만배. 지구의 둘레가 약 40,075km(최대 둘레 기준)이므로, 초당 지구를 7바퀴 반 정도 돌 수 있다. 물이나 유리 등 특정 매질을 통과할 땐 속도가 느려지는 굴절 효과가 나타나지만, 해당 물질을 통과한 뒤엔 즉시 광속을 되찾는다. 세부 내용은 나무위키 참고.
https://namu.wiki/w/%EA%B4%91%EC%86%8D
[2] 이중슬릿 실험 나무위키 링크https://namu.wiki/w/%EA%B4%91%EC%86%8D
https://namu.wiki/w/%EC%9D%B4%EC%A4%91%20%EC%8A%AC%EB%A6%BF%20%EC%8B%A4%ED%97%98
[3] 전자기 유도 나무위키 링크
https://namu.wiki/w/%EC%A0%84%EC%9E%90%EA%B8%B0%20%EC%9C%A0%EB%8F%84
[4] 에테르 바람 실험(마이켈슨-몰리 실험) 위키피디아 링크
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A7%88%EC%9D%B4%EC%BB%AC%EC%8A%A8-%EB%AA%B0%EB%A6%AC_%EC%8B%A4%ED%97%98
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