감각의 신비 1

1편 색깔

들어가며

모두 무엇인가?

나를 둘러싼 삼라만상, 사물들과 사람들은?

만약 갓 태어난 아기에게 또렷한 의식이 있다면 그렇게 느끼지 않을까?

정상 시력은 아니지만 눈앞에 흐릿하게 보이면서 어른거리는 저것들은 무얼까 의아하지 않을까?

그러면서 아기는 아이가 되고 어른이 되고 자기의 세계를 확립시켜 나간다.

각자만의 다른 세계를?

정말 지금 내 주변의 모든 것들은 무엇인가?

불교 마하반야바라밀다심경에는 색, 성, 향, 미, 촉, 다섯 가지 감각이 모두 '공'하다고 한다. 공의 개념이 어떻게 되는지에 따라서 얘기는 달라지겠지만, 꼭 집어 무어라 말할 수 없는 것이라는 개념이라면 이 글과 내용상 일맥상통한다고 볼 수 있다.

항상 보기 때문에 이상하지 않다고 생각하는 것을 실상은 이상한 현상이라고 주장하는 조금 특이한 이야기를 시작하려고 한다. 딱딱한 얘기를 부드럽게 할 수 있는 재주가 있으면 좋으련만...

1. 본다는 것

무엇을 보는가?

우리가 보는 것은 물질 자체가 아니고 그 물질의 표면에서 반사되는 빛을 보는 것이다. 테니스 연습으로 벽에다 공을 치고 있다면, 벽은 물질이고 공은 빛에 해당한다. 그러니까 우리가 보는 것은 벽이 아니고 벽에서 튕겨져 나온 공만 본다는 말이다. 엄밀히 말한다면 공을 보는 것도 아니고 공이 내 테니스 채에 닿았을 때 그것을 느끼는 것이다. 빨간 사과를 봤다면 사과를 본 것이 아니고 사과에서 반사되어 나온 빛이 우리 눈의 망막을 때릴 때 그것을 느낀다는 것이다.

이것이 본다는 현상의 실체이다.

그림으로 잘 설명한 것이 다른 브런치 스토리에 있다: 우리는 어떻게 보는 걸까?

https://brunch.co.kr/@blckschrl/91

색깔

인간의 다섯 감각 중에서 우선 눈에 보이는 색깔들에 대해서부터 이야기를 시작해 보려고 한다. 과학이 발전했다고 하지만, 또 참으로 말도 안 되는 말 같지만 과학자들도 색깔이 어디에서 생기는지 모른다. 뉴턴이 '광학'을 펴낸 지 약 300년이 되었지만 과학 즉 물리학의 현주소가 그렇다. 우리가 색깔을 본다는 사실은 명백하다. 정확하게는 색깔을 느끼고 있다. 어떤 과학자는 색깔이 착각이라고도 하고 (1) 어떤 과학자는 색깔이 물질세계에 존재하는 것이 아니고 사람의 마음에서 만들어진다고도 한다. (2) 어떤 과학자들은 색깔이 뇌에서 만들어지는 것이 아닌가 하고 생각한다. (3)

과연 그럴까?

이 문제가 왜 복잡하냐 하면 뉴턴이 빛 자체에도 색깔이 없고 사물 자체에도 색깔이 없다는 것을 그가 '광학'에서 증명을 해놓았기 때문이다.

일반 사람들은 빛은 원래 7가지 무지개 색깔을 품고 있는데 합치면 흰색이 된다고 여긴다. 하지만 과학적으로 보면 우리가 느끼는 일곱 가지 색깔들은 빛 전체 파장 영역 중에서 극히 일부에 지나지 않는 가시광선 영역에서 나타나는 현상이다. 빨간색 바깥 부분을 적외선 영역이라고 하지만 우리 눈은 느끼지 못한다. 만약 느낀다면 무슨 색일까 상상은 할 수 있지만 정확히 모른다. 왜냐하면 우리가 가시광선 영역에서 느끼는 색깔들조차도 그 원인을 모르기 때문이다.

색깔을 본다는 것이 의아하지만 이해하기 쉽게 비유하면 이렇다. 우리 팔 위에 햇빛이 비치면 '따뜻'하다고 느끼지만 그것을 '색깔'로 느끼지는 않는다. 눈의 수정체를 통과해서 망막 위에 비친 햇빛이 사실은 팔 위에 비친 똑같은 햇빛이지만 팔의 피부세포는 촉각으로 느껴서 따뜻하다고 하고, 망막의 세포는 시각으로 느껴서 색깔이라고 한다. 아주 당연한 말 같고 조금도 이상하지 않지만, 사실은 똑 같이 손가락으로 발바닥을 긁었는데 간지럽다고 하고 눈을 긁었는데 색깔이 보인다고 하는 것만큼이나 이상한 일이다.

태어나면서부터 우리가 색깔을 봐왔기 때문에 당연한 것 같지만 사실은 색깔을 본다는 것은 무척 이상하고 신비한 일이다.

시각이 인간지각의 60 % 이상을 차지하기 때문에 시각에 대해 많은 설명이 필요할 것 같다. 분명 빨간 장미의 꽃잎이 빨간데 꽃잎에 색깔이 없다고 하는 것은 양자역학에서 얘기하는 슈레딩거의 고양이처럼 '상자를 열어보기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 모른다'라고 하는 선문답 같이 들릴 것이기 때문이다. 빨간 장미의 과학적 설명은 이렇다. 장미의 뿌리가 흙의 무기물질에서 영양분을 빨아들여 꽃잎을 만들었는데 거기에 쪼여진 빛의 보라색 파란색 계통은 흡수되고 빨간색 계통만 반사를 해서 빨갛게 보인다는 것이다. 혹자는 이렇게 물을 것이다. 빨갛게 보이는 것은 마찬가지인데 굳이 장미꽃잎이 빨갛지 않다고 말해야 하는 이유가 무엇이냐? 이런들 저런들 빨간 것은 마찬가지 아니냐? 할 것이다.

그러면 이렇게 되물어 보자. 비눗방울에 무지개 색이 어리는데 비눗방울이 무지개색이 맞느냐 아니냐? 고인 물 표면에 기름방울을 떨어뜨리면 무지개색깔을 띠는데 그러면 물의 색깔이 무지개 색이 맞느냐 아니냐? 저녁노을이 질 때 구름이 불타듯이 빨간데 구름의 색이 빨간색이 맞느냐 아니냐? 비눗방울은 무색투명한데 무지개 색이 어른거리는 것이고, 구름은 흰색인데 태양의 붉은빛이 반사되어서 그런 것이다는 것을 경험적으로 알기 때문에 그런 눈에 잠시 보이는 색깔들은 반사와 간섭으로 만들어진 색이라는 것을 안다. 하지만 하늘과 같이 항상 파란색을 반사하는 경우는 또 파랗다고 여기고 바다도 푸른색이라고 여긴다. 잠시 반사되었던 색은 가짜색이고 계속 반사하고 있는 색은 진짜라고 여긴다. 그러나 모든 색은 물질 자체의 색이 아니고 햇빛이 물질 표면에서 반사되어 만들어진 것일 뿐이다라는 말이 지금까지의 과학적 설명이다.

색깔의 원인

빨간 장미에서 반사된 빛이 빨간 것이 아니라면, 그렇다면 빨갛다고 하는 것은 어디에서 온 것인가?

우선 햇빛은 전자기파이다. 빛은 전기장과 자기장이 엮인 물리학적인 파동이다. 빛은 저주파부터 고주파까지 넓은 주파수 영역을 가지는데 우리의 가시광선 영역은 극히 일부분인 것은 앞에서 살펴봤다. 그러니까 눈의 망막에 부딪힌 햇빛은 모든 파장을 가진 전자기파인데 망막의 시신경이 감지할 수 있는 영역 즉, 가시광선 영역의 파동만이 신경을 타고 뇌에 전해진다. 파동 자체에 색깔이 없는 것은 모두가 안다고 치자. 그러면 장미의 꽃잎에서 반사된 파동이 어떻게 빨간색이 될까? (그림 1)

그림 1.

망막을 때린 전자기파는 전기적 신호로 바뀌어 신경계를 통해 뇌세포에 전달된다.

뇌세포는 뉴런과 시냅시스로 구성되어 있다는 것을 우리는 알고 있다. 우주의 별만큼이나 많은 숫자의 시냅시스 망으로 서로 긴밀하게 연결되어 있다. 그 구조가 얼마나 복잡하든지 얼마나 많든지 뉴런과 시냅시스는 약한 전기신호로 서로 정보를 주고받는다. 그러면 다시 그림 1과 같이 전기적 신호가 어떻게 빨간색의 정보가 되는지 똑같은 의문이 남는다. 광활한 우주 속에서 인간처럼 지능을 가진 생명체를 찾는 것이나 수많은 뉴런과 시냅시스의 우주 속에서 빨간색을 찾는 것이나 같지 않을까? 만약 빨간색이 그 어디에 있다는 보장이 있다면 말이다. 그러니까 내 말은 뇌속의 어디에도 빨강은 없다는 것이다.

로봇은 색깔을 볼 수 있을까?

인간이 색깔을 보는 것이 얼마나 신비로운지 알아보기 위해서 인간과 비슷한 휴먼로봇을 예로 들어보자. 로봇은 광학적인 눈, 즉 스마트폰의 렌즈와 같은 눈을 사용해서 색깔들을 구별할 수 있다. 아니 구별하는 것처럼 보인다. 각 색깔에서 반사된 전자기파의 파장을 분석해서 색깔의 미묘한 차이도 알아낼 수 있다. 아마도 인간의 눈보다 그 기능이 뛰 어날지도 모른다. 그러나 그 기능은 제쳐두고 로봇이 색깔을 볼 수 있는지 알아보자. 달리 말하면 인간이 색깔을 느끼듯이 로봇도 색을 느낄 수 있는가 하는 것이다. 그림 2는 9장의 카드로 각 장에는 50개의 보라색의 점들이 있고 한 점만 색조가 다르다. 약간 밝은 색조의 보라색 점을 각 장마다 위치를 달리해 놓았다.

그림 2.

첫 번째 카드를 인간과 로봇에게 보이고 다른 점이 몇 개 있는지 찾기 시합을 해보자. 인간은 색깔을 볼 수 있기 때문에 다른 색조의 밝은 보라색 점 한 개가 한눈에 들어온다. 로봇은 어떨까? 색깔을 볼 수 있다면 색조가 다른 보라색 점을 알아보겠지만 색으로 인식을 못하기 때문에 파장으로 분석을 해야만 한다. 첫 번째 점부터 파장을 분석하고 두 번째 점과 비교해서 다른지 같은지 계속 비교해 나가야 한다. 첫 장의 카드 46번째 점에 가서야 색조가 다른 점 하나를 찾았다. 그리고 또 47번째 점의 파장을 분석하고 60번째 점에 가서야 다른 점은 하나밖에 없다는 것을 알아차린다. 로봇은 두 번째 카드부터 아홉 번째 카드까지 똑같은 임무를 수행한다. 달리 말하면, 로봇은 점들의 색을 보는 것이 아니라 각 점에서 반사되는 빛의 파장을 분석할 뿐이다.

자, 이제 이 아홉 장의 카드를 한꺼번에 모아서 빠르게 넘겨보자. 로봇이 파장을 분석하는 시간보다 더 빠르게 카드를 넘기면 어떻게 될까? 인간은 밝은 보라색 점이 마치 수평 이동하다가 수직 이동하는 것처럼 보일 것이다. 마치 영화 필름을 돌려서 움직이는 영상을 본다는 것을 우리는 알고 있듯이 점이 움직이는 것처럼 볼 수 있다. 각 점의 파장을 분석할 시간이 부족한 로봇은 어떨까? 시간이 부족해서 점이 움직이는 것을 눈치채지 못할 것이다. 세월이 흘러 로봇의 인공지능이 처리속도를 빨리해서 인간처럼 빠른 속도로 점의 위치를 알아낸다고 헤도 색깔을 볼 수 있다는 증명은 될 수 없다. 다음에서 더 깊이 알아보자.

로봇은 밝음이란 것을 느낄까?

로봇은 인간처럼 어두움과 밝음을 느낄까?

우선 그림으로 나타내 보자. 그림 3은 인간이 느끼는 어둠과 밝은 원이다. 그림 4는 로봇이 인지하는 어둠의 정보와 밝음의 정보를 나타낸 것이다.

그림 3.

그림 4.

그림 3은 인간인 우리가 보는 것이니 건너뛰고 로봇이 보는 그림 4에 대해 설명해 보자. 로봇이 이렇게 느낀다는 말이 아니라 로봇이 그림 3으로부터 받아들이는 빛의 양을 숫자로 표시할 수도 있지만 단순한 단어로 표시를 했을 뿐이다. 검은색 영역에서 반사되는 빛의 양이 없다는 것을 black이라는 단어로 나타냈고, 같은 방법으로 흰색 원 부분에서는 밝다는 bright로 표시를 했다. 로봇이 감지한 빛의 양을 숫자로 표시를 하든 단어로 표시를 하든 그것은 단순한 물리량이다. 빍음(흰색)이나 어둠(검은색)으로 느끼는 것이 아니라 단지 물리량으로만 받아들일 뿐이다. 그래서 로봇의 눈은 갑작스러운 밝은 빛에 눈이 부실 이유가 없다. 눈이 부셔서 눈을 감을 필요도 없고 인공눈의 렌즈를 통해 들어온 빛의 물리량을 측정할 뿐이다.

로봇과 비교할 때 인간은 그러면 어디에서 밝음이란 것을 느낄까? 이 문제는 그림 1에서 눈으로 들어온 물리량에서 인간은 어떻게 빨간색을 느끼느냐 하는 문제와 똑같은 성질의 것이다. 과연 물리량이 어떻게 밝고 어둡다는 추상적인 개념으로 나타날까?

로봇과 비교해 볼 때 인간이 색깔을 본다는 것이 참 신기하고 인간이 밝음을 인지한다는 것이 참 이상하다는 것을 우선 알아주었으면 한다.

그래도 그게 아닌 것 같은데?

앞에서 얘기한 부분이 이제까지 과학시간에 배워왔던 것과는 다른 말이기 때문에 여전히 뭔가 석연치 않을 것이다. 그래도 그게 아닌 것 같은데.. 이 찜찜함은 뭐지? 이렇게 생각할 수 있다.

그동안 배워온 것을 되돌아보자. 사실 우리가 배워온 것은 거의 300년 전에 뉴턴이 확립해 놓았던 지식이다. 프리즘을 통과한 백색광이 무지개색으로 굴절하는 것부터 하늘에 무지개가 생기는 원리까지 이미 다 그의 저서 '광학'에 적혀있다. 그리고 그는 자연계에는 없는 색깔이 어떻게 발생하는지 의아하게 생각했다. 그래서 그러한 의문을 후대 과학자에게 묻는 30여 개의 질문으로 '광학' 마지막에 부분에 실었다. 프리즘을 통과해서 많이 굴절하는 부분의 빛이 보라색을 띠는데 그 빛이 망막을 통해 어떤 진동을 전달하고 그 진동이 신경계를 통해 뇌로 전달되면서 보라색으로 느끼는 것은 아닐까? 하고 의문으로 남겼다. 그 뒤로 눈의 구조에 대해 해부학적으로 더 자세히 알게 되고 망막에서 빛을 감지하는 원추세포의 구조도 알게 되었다. 시신경을 통해 전달된 정보를 뇌 어느 부분에서 처리하는지도 알게 되었다. 하지만 여전히 색깔이 만들어지는 과학적 증거는 찾지 못했다.

'들어가며' 부분에서 언급했듯이, 착각으로 색이 보인다든지, 마음에서 색이 만들어진다든지, 뇌에서 만들어질 것이라고 추측할 뿐이다.

그러니 색깔을 본다는 것이 참으로 이상하고 신비한 일이라고 여겨도 된다.

문제는 인간이 선천적으로 색깔을 볼 수 있는 능력을 가지고 태어나기 때문에 하나도 이상하게 생각하지 않는 데 있다.

색깔은 그럼 뭔가?

색깔은 그럼 하늘에서 뚝 떨어진 것인가? 우주에 없던 것이 생겼으니까 창조물인가? 사실 우주도 아무것도 없던데서 생겼으니 창조가 맞지만 창조란 단어는 과학자들이 좋아하지 않는다. 과학으로 설명되지 않기 때문이다. 어느 과학자처럼 색깔이 마음에서 창조된다고 하자. 개인적으로 마음보다는 조금 더 차원이 높은 곳이라 생각되지만 일단 다 수긍할 마음에서 색깔을 본다고 치자. 마음으로 색깔을 본다는 말은 제각각으로 본다는 말이다. '전쟁'또는 '사랑'이란 단어를 들었을 때 각자의 마음이 다르게 반응하듯이, 장미잎에서 반사된 장파장이 각자의 마음에서 어떤 빨간색을 느끼는지 다 다르다는 말이 될 수도 있다. 그러니 거기서부터는 과학이 아닌 것이다. 심리학이라고 해야 하나?

하여간 내가 장미꽃잎에서 나온 장파장을 매혹적인 빨간색으로 마음이 느꼈다면 어떤 이는 핏빛의 빨간색으로 느낄 수 있다는 말이다. 아니 더 과장해서 얘기하면 나의 마음이 느끼는 빨간색과 전연 다른 색으로 볼 수도 있다는 말이다. 조물주가 각 인간의 마음을 같은 색깔로 보도록 만들어 놓으셨는지 다르게 보도록 만들어놓으셨는지 궁금하지 않은가?

궁금하면 500원!

뉴턴도 이 이상한 신비를 밝히고 싶어 무던히 애를 썼지만 밝히지 못하고 후대를 위해 질문으로 남겼다. 질문 12에서 '빛을 나르는 광선은 망막에서 진동을 일으키는 것이 아닐까?'

질문 13에서 '서로 다른 종류의 광선은 서로 다른 크기의 진동을 만들어서, (중략) 거기에 대응하는 색깔 지각도 서로 다르게 일으키는 것은 아닐까?

마지막 질문 31이 가장 길어서 수십 쪽이 되는데 원자도 분자도 아직 모르던 시대 과학자의 고민이 엿보인다. 빛도 아주 작은 입자로 생각한 그는, '물체를 구성하는 작은 입자들이 어떤 능력이나 성질 또는 힘이 있어서, 그것을 이용하여 단지 접촉하지 않은 빛을 나르는 광선에만 작용하여 광선이 반사하고, 굴절하고, 회절 하도록 만들 뿐 아니라, 그 입자들 사이에도 역시 서로 작용하여 자연에 나타나는 현상중 많은 부분을 만들어내는 것 아닐까?' 그리고 질문 31 말미에는 원자를 의미하는 '나는 태초에 신이 그가 창조하려고 의도한 것과 가장 잘 부합하도록 물질을 공간에 알맞은 비율로 크기와 형태를 맞추어, 여러 다른 성질과 함께, 고체이고 육중하며 견고하고 관통할 수 없으며 움직일 수 있는 입자로 만들었다고 생각한다.'라고 가정하고 있다.

나가며

아무렇지 않은 일상의 색깔들이 사실은 무척이나 이상하고 과학도 은근슬쩍 넘어가는 신비한 현상이란 것을 알고 감사하길 바란다면 욕심일까?

아니 한 사람이라도 이해하는 분이 나오길 기대해 본다. 아니면 개 짖는 소리나 무엇이 다르랴!

다음에 얘기할 소리는 색깔보다 설명이 더 어렵다. 왜냐하면 색깔처럼 보이는 것이 아니고 들리는 현상이기 때문이다. 사실, 뉴턴도 색깔의 신비를 얘기하기 위해 듣는 감각인 소리를 예로 들기도 했다.

여기 뉴턴에 관한 인용은 한국문화사에서 출판하고 차동우 님이 번역한 '아이작뉴턴의 광학'이란 번역본을 참고로 했으며 뉴턴의 영어 원본(4판)은 아래 사이트에서 다운로드할 수 있다는 것을 밝힌다. http://strangebeautiful.com/other-texts/newton-opticks-4ed.pdf

참고문헌

1. Barton, J. Visual Color and Form Perception, Encyclopedia of the Neurological Sciences, V4. 677-680 (2014)

2. Glenn Elert (2022). https://hypertextbook.com/color/

3. Tootell, R. B. H. and Nasr, S. in Brain Mapping: An Encyclopedic Reference 489-506 Primate Color Vision. (Elsevier, 2015).

4. Li, P. et al. Cone opponent functional domains in primary visual cortex combine signals for color appearance mechanisms, Nature Communications: https://www.nature.com/articles/s41467-022-34020-2