앞의 어디선가 밝혔듯이, 필자가 교직에서 정년퇴직하고 백수로 있으면서 어느 날 깨닫기를, 이대로 있지 말고 내가 평생 배운 과학 지식을 일상생활에 적용하는 글을 써서 다른 사람에게 알리고 싶었다. 필자는 활자에 익숙한 세대인지라 책으로 출판을 하고 싶었는데 그것이 쉽지 않음을 발견하였다. 출판 업계 현황을 나름대로 파악하고 독립출판을 하기로 마음먹고 ‘무지개꿈’이라는 일인(一人) 출판사를 세웠다. 그동안에 브런치 사이트도 알게 되어 그곳에 써 놓은 글을 일부 올려 보았다. 주위의 지인들을 상대로 홍보를 하고 읽어 보기를 권유하였는데 그 반응은 내가 기대한 것과 달랐다. 모두가 다 내 마음 같지 않음을 깨달았다.
원래 한 권으로 써 놓은 글들을 독자들의 이해를 위하여 세 부분으로 나누기로 하였다. 첫 권은 내가 책 출판의 전체 과정을 학습하는 기회로 삼고 일반인이 이해하기 쉽도록 편집하려고 노력하였다. 그래서 주제를 ‘빛과 색’으로 정하고 문학 작품과 가요 가사에 관한 글을 위주로 실었다. 두 번째 책부터는 조금은 전문적인 영역으로 ‘전자기파’와 ‘에너지’에 대해서 다루어 보려고 한다.
우리는 어떤 복잡한 성질을 갖는 대상을 단순한 변수에 따라 나누어 늘어놓은 결과를 스펙트럼이라고 말한다. 대표적으로 빛이 프리즘을 통과할 때 빛의 파장에 따라 굴절률이 다르므로 분산을 일으키는데, 그 결과물은 파장의 순서로 배열된다. 이를 빛의 스펙트럼이라고 말한다. 자연에서는 비가 갠 후 맑은 하늘에 펼쳐져 있는 무지개를 들 수 있다. 공중의 물방울에서 굴절이 일어나 파장의 순서로 배열된다. 이를 우리는 ‘빨주노초파남보’라는 색으로 인식하고 있다. 이를 가시광선의 스펙트럼이라고 부른다. 한편 우리가 눈으로 인식하지 못하는 빛이 있다는 막연한 생각에서 적외선이니 자외선이라는 이름을 붙였다. 또한 물질의 본질을 이해하는 과정에서 X선이니 감마선이 발견되었다.
한편 영국의 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)은 전자기파의 존재를 예측하고, 그 전달 속력이 빛의 속도와 같고 항상 일정하다고 하였다. 독일의 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857~1894)는 실제로 전자기파를 발생시키고 그 존재가 실존함을 보였다. 20세기 들어 우리 인류의 위대한 발견은 모든 물체는 가지고 있는 에너지를 전자기파의 형태로 외부로 발산할 수 있다는 생각이다. 이러한 발산을 복사(radiation)라고 부른다. 전자기파의 에너지는 전자기파의 주파수(진동수)에 비례하고 그것의 전달 속도는 주파수에 파장을 곱하면 된다. 우리는 지난 약 1세기 동안 여러 가지 발명과 기술개발을 통하여 이러한 전자기파에 말과 그림을 실어 보낼 수 있는 통신기술을 발전시켰다. 그러한 전자기파를 마이크로웨이브, 라디오파 등으로 부른다.
잘 몰랐다는 역사적인 이유로 다양한 전자기파(복사)에 대하여 주파수, 에너지, 파장의 변화에 따라 인류가 붙인 명칭은 다양하다. 그러한 전자기파를 에너지의 크기가 큰 순서대로 감마선, 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파라고 흔히들 부른다. ‘빨주노초파남보’ 색깔의 무지개를 가시광선의 스펙트럼이라고 말하듯이, 이런 다양한 영역의 복사선을 맥스웰의 무지개(Maxwell’s rainbow)라고 말하기도 한다. 맥스웰의 무지개에 해당하는 복사선 전체 스펙트럼에서 가시광선이 차지하는 영역은 아주 협소하다.
본 글에서는 먼저 몸풀기로 큰 숫자와 작은 숫자를 어떻게 표현하는지에 대해서 알아보고, 일상생활에서 사용되는 기본적인 물리적인 단위에 대하여 알아보려고 한다. 우리 몸은 감각을 갖추고 외부세계에서 파동(wave)의 형태로 전달되는 신호를 뇌에서 분석하여 적응하고 있다. 그 대표적인 감각이 시각과 청각이다. 시각은 눈으로, 청각은 귀가 담당하여 자극을 인식한다. 이러한 감각 기능이 결여(缺如)되면, 시각 장애인 혹은 청각 장애인이라고 한다. 장님, 맹인(盲人), 귀머거리라는 옛날 말이 있다. 정상인이라고 하여도 색감과 음감은 사람에 따라 천차만별(千差萬別)이다.
우리의 일상생활 혹은 고전적인 물리학에서는 물결, 소리, 빛을 파동으로 인식하고 이를 설명하는 지식을 파동론(wave theory)이라고 하였다. 또한 일상생활에서 모든 물체(body)의 거동을 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)이 집대성해 놓은 운동의 법칙으로 이해하였다. 물체가 작아지면 이를 입자라고 부르고 이에 따른 물리법칙을 입자론(particle theory)이라고 한다. 입자가 작거나 파동의 파장이 아주 작은 미세한 세계에서는 입자성과 파동성으로 그때그때 설명해야 하는 양면성(duality)을 갖고 있다고 보고 있다. 파동의 입자성이니 입자의 파동성이라는 말이 나오게 되었다. 이는 미세세계에서 물질이 이중성을 띠고 있다는 뜻은 아니다. 다만 우리가 자연을 이해하는 방법이 서로 달라서, 어떨 때는 파동론으로 설명해야 하고 어떨 때는 입자론으로 설명해야 우리의 과학적 이해를 충족시킬 수 있다는 뜻이다. 빛이 파동인 줄로만 알았더니 입자론으로 설명해야 할 때가 있다. 광파(light wave)라는 말은 빛을 파동론으로 생각할 때 나오는 용어이고, 광자(photon)는 입자론으로부터 나온 말이다. 전자(electron)는 입자인 줄로만 알았더니 파동의 성질을 갖고 있다. 전자의 파동성을 이용한 대표적인 기계가 전자현미경이다.
다음에 무지개 너머에 존재하고 있어서 우리의 눈이 인지하지 못하는 전자기파인 감마선, 엑스선, 자외선, 적외선, 마이크로파, 라디오파에 대해서 알아보고, 의학이나 일상생활에서 활용하는 면을 살펴볼 예정이다. 우리는 어떤 사실을 귀로 듣기만 해서는 믿지 않고, 직접 눈으로 보아야 직성이 풀리는 경향이 있다. 자연적인 법칙도 눈으로 확인해야 믿으려 한다. 그래서 직접 눈으로 보지 못하는 영역의 현상도 가능하면 눈으로 볼 수 있는 광학적 이미지를 선호한다. 복잡하고 비싼 의료용 진단장치에서도 환자의 상태를 눈으로 확인할 수 있는 사진이 있어야 의사는 안심하게 된다. 이 점에서는 실험 결과에 의존하는 자연과학자도 비슷하다.
이 글을 쓰는 때는 한참 개화 시기인 3, 4월이다. 봄이 되면 한겨울의 황량한 풍경에서 숨을 죽이고 있던 식물에 움이 트고 꽃이 만발한다. 꽃의 색깔은 빨강, 노랑, 보라, 백색 등 다양하다. 그러나 녹색 꽃은 찾아보기 쉽지 않다, 자연의 설계자는 녹색은 이파리 색으로 남겨 놓았다. 오월쯤 되면 천지가 초록으로 덮일 것이다. 우리가 이름 붙여 놓은 대표적인 꽃에 대하여 필자가 느끼는 소회를 글로 적어 보았다.
마지막으로 우리가 밤하늘을 쳐다보면 볼 수 있는 별에 대하여 살펴보았다. 인류에게 한동안 별은 신비의 대상이었으나, 과학의 발달로 새롭게 이해하게 되었다. 무수히 많고 멀리 떨어져 있는 별이건만, 이 별들에 비하면 아주 작은 우리 인간은 과학의 이름으로 별의 실체를 이해하고 있다고 생각하고 있다. 오늘날 별에 관한 과학 지식에 대해서 생각해 보고자 한다.
