[Science Cookie] 우리의 눈으로 볼 수 있는 전자기파, 빛의 성질에 관한 이야기!

 

 

 

우리가 세상을 본다고 하는 것은 도대체 무엇을 보는 것 일까요?

 

칠흙 같이 어두운 공간 속에서

우리가 무언가를 보기 위해서는 무엇이 필요한가요?

 

깊은 밤 어두운 산길을 걷거나 아주 컴컴한 방에 들어갔을 때

우리는 손전등을 통해서 그 공간을 확인할 수 있죠.

 

그렇습니다.

우리는 빛을 통해서 세상을 바라볼 수 있습니다.

 

빛은 유일하게 도구나 문명의 도움 없이

인간이 인지할 수 있는 전자기파임과 동시에

우리에게 세상을 인식시키는데 큰 도움을 주는 아주 고마운 존재이기도 하죠.

아니 어쩌면 진화론에 입각해서 볼 때

우리 인류는 생존을 위해서 빛이라는 전자기파를 인식할 수 있도록

시스템 되어졌다고도 말 할 수 있겠네요.

 

역사적으로, 빛이라는 존재에 대한 탐구는

문명이 탄생되기 한참 전부터 시작되었는데요

인류는 태양에서 내리쬐어지는 '빛'이라는 전자기파를 이용해

공간을 인식하게 되었고, 식량을 찾을 수 있게 되었으며

이는 곧 개개인의 생존과 직결되었죠.

 

거의 모든 건국 신화, 또는 종교에서, 절대자를 상징하는 존재가

'빛'이라는 사실만 보더라도,

인류에게 빛은 얼마나 소중하고 고마운 존재인지 금방 알 수 있습니다.

 

시대가 지나 문명이 발전하게 되면서

많은 철학자들과 과학자들은

과연 빛이 무엇일까에 관해서 고민하기 시작하였고,

이러한 고민이 끊임 없이 지속되면서

현대에 이르기까지 빛은 수많은 과학적 발견을 가능하게 해 준

아주 고마운 존재가 되었습니다.

 

그런데 여러분, 이러한 빛이 가지고 있는 성질에 대해서

여러분은 얼마나 알고 계시나요?

 

빛이 가지는 독특한 성질을 이해할 수 있다면, 그리고 적용할 수 있다면,

우리는 뜨거운 도로 끝자락에서 고이는, 물이 고여 있는 것 같은 현상인

신기루 현상이 왜 일어나는지 설명할 수 있으며

또한, 물속에서 발사한 레이저 빛을

물 바깥으로 나갈 수 없게 만들 수도 있어요.

 

도대체 어떻게 하면 이러한 것들이 가능한 것이며

어떠한 원리, 어떠한 성질을 빛이 가지고 있길래

이런 일들이 가능한 걸까요?

 

오늘은 바로 빛의 고을이라고 불리는 '광주'

그중에서도 국립광주과학관에서

이러한 독특하고도 기묘한 빛의 성질을 알아보는 시간.

빛의 성질에 관한 이야기를 과학 쿠키와 함께 들여다보도록 하겠습니다.

 

Visible Light, 가시광선은

약 400nm의 Violet, 보락색 영역으로부터

약 700nm 근방의 적색영역까지의 전자기파를 의미하는데요.

가시광선이라고도 불리는 이 영역의 전자기파는

말 그대로, 우리 눈을 통해 유일하게 감지할 수 있는

통칭 '빛'이라고 불리는 대상을 말합니다.

 

빛의 성질을 알아보기에 앞서 전자기파가 가지는 일반적인 성질,

즉 파동이 가지고 있는 성질을 간단하게 알아보도록 할까요?

 

파동이란 진동이 만들어내는 에너지가 매질을 통해 퍼져나가는 것으로서

물결의 진동이 퍼져나가는 파동인 파도나

공기의 분자의 진동이 만드는 소리

땅의 진동 에너지가 퍼져나가는 지진 등이 파동의 대표적인 예라고 할 수 있죠.

 

앞선 설명에서와 같이 대부분의 파동은

매질을 필요로 한다는 특징을 가지고 있어서

매질과 매질 사이의 연결고리, 즉 매질이 빽빽하게 밀집되어 있을수록

다시말해, 매질이 밀하면 밀할수록

파동이 빠르게 전달된다는 특징을 가지고 있습니다.

 

예를 들어, 공기중에서보다 물 속에서 소리의 속도가 훨씬 빠르게 전달되는 이유라던지

기차가 다가오는 소리를, 선로에 귀를 기울이면 훨씬 빨리 알아챌 수 있는 것도

바로 이러한 파동의 성질 때문인 것이죠.

 

하지만, 무선통신 영상을 보고 온 여러분들이라면 아시다시피

전가기파는 공간상으로 퍼져 나갈 때 매질이 필요가 없는 파동입니다.

그렇기 때문에 공간상에 어떤 물질이 있어서

전자기파의 진동을 방해하게 되면

이 전자기파의 속도가 느려지게 된다는 특징을 가지게 되죠.

 

빛도 전자기파 중에 하나이기 때문에

빽빽한 매질 속으로 빛이 들어가게 되면

그 매질 속에 있는 빽빽한 입자들은 빛의 진동을 방해해서

빛의 속도가 느려지게 된다는 특징을 가지게 되죠.

 

그리고 매질이 변한 순간 발생하는, 이러한 속도의 차이 때문에

자신의 원래 진행 방향보다 진행 면에 수직한 선의

안쪽으로 꺾이게 되는 현상이 발생하게 되는데요

이것이 바로 우리가 주변에서 흔히 관찰할 수 있는 현상인

빛의 굴절 현상입니다.

 

빛이 빽빽한 매질, 즉 밀한 매질로 들어가게 되어 속도가 느려지게 되면

수직한 선의 안쪽으로 꺾이게 되고,

반대로 느슨한 매질, 즉 소한 매질로 들어가게 되어 속도가 빨라지게 되면

수직한 선의 바깥쪽으로 꺾이게 되는

관찰하기 쉬운 아주 단순한 현상이지요.

 

그러나, 이 굴절 현상을 유심히 연구하던 몇몇의 과학자들에 의해 만들어진

'렌즈'라는 발명품을 이용하여,

인류는 아주 먼 대상

예를 들면 항구에서 들어오는 적의 함대를 관측하거나

달, 금성, 목성 등 천문 현상을 관측하는 도구인 망원경을 개발하게 되었으며

아주 작은 세계인 미생물의 세계에 첫발을 내딛게 되는 계기인

현미경을 개발하게 되었죠.

 

그렇다면 매질이 바뀌게 되었을 때, 빛은 대체 얼만큼 꺾이게 되는 것일까요?

그 값을 수치적으로 나타낸 것이 바로 Refractive Index, 굴절률이며

매질 사이에 굴절률의 차이가 크다는 의미는

곧 빛의 속도가 그만큼 더 많이 변화한다는 뜻이며

이는 진행 경로가 그만큼 더 많이 꺾이게 된다는 의미를 가지고 있죠.

 

또, 이러한 굴절률은 놀랍게도

파장이 짧으면 짧을수록, 다시말해 진동수가 크면 클수록

매질을 통과할 때 긴 파장보다 상대적으로 더 많은 방해를 받게 되어

속도가 더 줄어들게 되고,

그 결과 진로는 더 많이 꺾이게 되는 모습을 보이는데요

 

이러한 차이 때문에 진동수에 따라 조금씩 꺾이는 정도가 차이가 나게 되고

그 때문에 다양한 진동수의 빛이 촤라락 펼쳐지는 이러한 현상을

빛의 분산이라고 부른답니다.

이를 우리가 눈으로 확인할 수 있는 가장 간단한 실험장치가 바로 프리즘인 것이죠.

 

한편, 일부 빛은 변한 매질 속으로 들어가지 못하고

매질의 경계면에서 들어간 빛줄기와 같은 각도로 튕기어 나오게 되는데요,

이러한 현상을 우리는 빛의 반사라고 부른답니다.

 

이러한 반사는 매질이 변하는 경계면뿐만 아니라 물체의 표면에서도 일어나게 되며

우리가 물체를 빛을 통해 볼 수 있는 이유도

바로 이렇게, 물체의 표면이 빛을 사방으로 반사시켜

반사된 빛이 우리 눈으로 들어오기 때문이라는 것!

모두들 잘 알고 계시죠?

 

그런데 여러분, 혹시 이것도 알고 계신가요?

이 빛의 굴절과 반사를 아주 교묘하게 이용해서

어느 특정한 조건을 만들게 되면

우리는 빛을 매질 속에다가 가둬둘 수 있다는 사실을 말이에요.

 

이러한 원리를 이용해서 만들어 낸 것이 바로

Optical Fiber, 광 섬유이며

이 광 섬유를 이용해서 통신을 하게 되며

기존에 가지고 있는 유선 통신의 본질적인 문제점인

정보 손실을 하나도 일어나지 않게 만들 수 있어요.

 

그렇다면 이 아주 특별한 조건이라고 하는 건 과연 무엇일까요?

왜 이 특별한 조건이 들었을 때, 빛을 매질 속에 가둬둘 수 있는 걸 까요?

 

이 조건은 바로

전반사라고 불리는 아주 특별한 조건이에요.

 

지금부터 전반사가 무엇이고 이 조건을 만족시켰을 때

왜 정보의 손실이 일어나지 않는지에 대해서

함께 알아보도록 할게요.

 

전반사란, 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 빛이 나아갈 때

다시 말해, 빛의 속도가 느린 공간에서 빠른 공간으로 진행하게 되었을 때

빛의 경로가 법선의 바깥쪽으로 꺾이게 되는 모습이

극단적으로 나타나게 되었을 때 볼 수 있는 현상인데요,

 

빛이 바깥으로 나아가는 각도가 일정 각도가 넘어가게 되면

더 이상 매질의 바깥으로 나아가지 못하고

전부 반사되는 모습을 확인할 수 있습니다.

 

이러한 각도를 굴절이 더 이상 일어나지 않는 끝자락의 각도라는 의미에서

Critical Angle, 임계 각도라고 부르며

이 때문에 빛은, 임계 각도보다 큰 각도로는

매질 밖으로 벗어날 수 없다는 특징을 가지게 됩니다.

 

이 성질을 이용해, 섬유의 중심에 Core라고 불리는

굴절률이 높은 성분으로 구성하고

그 주변부를 Cladding이라고 하는

굴절률이 Core보다 낮은 성분으로 구성한 뒤

정보를 담은 빛을 Core 안쪽으로 쏘아주어

전반사를 통해, 정보의 손실 없이 빠르고 안정적인 통신을 가능하게 한 것이 바로

'광통신'이라고 불리는

현재 우리가 유용하게 이용 중인 광랜의 기본 원리랍니다.

 

하지만 여러분, 아직 궁금한 것이 여전히 남아있어요.

왜 뜨거운 도로 끝자락에서는 마치 물이 고여있는 것처럼

신기루가 보이는 걸까요?

어째서 그 도로 끝자락에 실제로 가보면 물이 고여있지 않음에도 불구하고

물이 고여있는 것과 같은 착각을 불러일으키는 걸까요?

또 우리가 가보진 않았지만

사막에서 마치 오아시스를 발견한 것처럼 보이는

그러한 신기루는 대체 왜 발생하는 걸까요?

 

...

 

이번 영상은 오늘도 어김없이 제 영상을 보기 위해

찾아 와주신 여러분들과

국립광주과학관의 지원을 통해서 제작되었습니다.

 

국립광주과학관은 호남과 제주권역의 과학문화 확산을 위하여

설립된 국립과학관입니다.

지난 2013년에 설립되어 지금까지 자라나는 청소년들에게는

과학적 호기심과 창의력을 키워주고

성인들에게는 과학기술의 중요성을 알려주는 것을 목표로

전시와 교육을 비롯한 다양한 컨텐츠를 체험하는 공간을 제공하고 있죠.

 

미지의 과학기술에 대한 끝없는 도전과 개척을 나타내기 위하여

우주를 탐험하는 우주선 형태로 설계되었으며

이러한 디자인에 걸맞게 과학 인재를 키우기 위해

다양한 노력들을 시도하고 있으며

이를 바탕으로 지역의 과학문화 확산과 과학 인재 양성을 끌어내고 있죠.

 

 

오늘 설명드린 굴절과 반사 말고도

빛은 독특한 성질을 여러가지 더 가지고 있어요.

이 독특한 성질 덕분에

우리는 2d 평면에서 3d를 구현할 수 있는 방법을 상상할 수 있게 되었고요.

호수 겉표면에서 반사되는 빛만 차단할 수 있는 필터를 만들 수 있게 되었죠.

 

이 모든 것들은 1800년도 초에 이루어졌던

토마스영의 이중슬릿 실험을 통해서

빛이 파동임이 증명되었기 때문에 가능한 일이었는데요.

 

이 토마스 영의 이중슬릿 실험은

볼타가 볼타 전지를 발명한지 겨우 2년 만에 행해진 실험이였어요.