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May 19. 2024
빛이 있으라...
인간의 눈으로 보는 세상이 다가 아니다.
잔잔한 물결 위에 돌을 던지듯이 신은 텅 빈 우주에 빛 한 방울을 던졌다.
그 빛은 파동의 물결처럼 퍼져 나가다가 공간의 미세한 차이를 느끼고 조금씩 꺾이며 나가다가 서로 부딪친다. 그리고 간섭무늬가 생긴다. 보강되기도 하고 상쇄되기도 한 이 빛은 무늬를 만들게 되고 그 자취를 천년만년 후에 누군가에 의해 관찰된다.
요즘 나는 렌즈를 연구한다. 17세기 뉴턴이 프리즘을 통해 빛을 나누고 렌즈를 통해 모으고 하며 만든 기하광학 공식은 21세기에도 여전히 강력하게 사물의 이치를 설명한다. 다만 지금은 빛을 좀 더 세밀하게 관찰할 수 있는 도구가 많이 생겼다.
친절하게도 이동준 선생님이 자바실험실을 만들어서 이러한 빛의 간섭무늬 관련해서 쉽게 실험해 볼 수도 있다. 뉴턴의 영향력은 이러한 무늬를 "뉴턴링"이라고 부르며 하나의 보통명사로 만들 정도다.
https://javalab.org/newton_ring/
나는 아주 작은 렌즈를 만들었다. 반구의 렌즈 4개
그리고 렌즈 아랫면에서 위쪽으로 레이저를 통과시켜 보았다.
무슨 일이 일어날까?
Sketch up으로 그림음.. 마치 어렸을 때 돋보기로 놀던 것과 같이 빛이 모이지 않을까? 렌즈가 4개이니 4점으로 모이겠군
사실 매우 작은 렌즈이므로 이걸 관찰하는 것은 특별한 장비로 "측정"해야 한다.
사람의 눈으로 관찰하기는 어렵다. 물론 레이저를 눈으로 관찰하는 것은 위험하다.
그래서 현미경을 레이저 반대편에 두고 렌즈를 통과한 빛을 관찰한다. 광자 하나하나를 전류값으로 바꾸어서 그것을 이미지화하는 기기...
그럼 어떤 모습이 보일까?
예상했던 모습이다. 그런데 동심원들이 보인다.
이전에 공부할 때 자주 보던 경상대 물리학과 사이트에 보면 이런 물결파와 파동을 잘 설명해주고 있다.
물 표면 위에 두 지점에서 반복적으로 접촉을 해서 물결파를 만들면 중첩이 생기고 그곳이 물결파가 높아지는 지점들이 반복적으로 보인다. 위 렌즈를 통과한 빛을 보면 마치 물결 위에 네 지점에서 파동을 만든 것처럼 보인다.
http://physica.gnu.ac.kr/physedu/wavelight/twowave/twowave.html
한 발짝 더 나아가보자.
관찰을 렌즈의 초점 거리가 아닌 그 앞뒤에서 측정하면 어떻게 될까?
마치 돋보기로 종이를 태울 때 초점이 맞지 않도록 렌즈를 앞뒤로 움직이면 그냥 가운데 밝은 점이 옅여질뿐이다. 그런데 레이저로 아주 작은 렌즈를 통과하고 그 빛을 정밀하게 관찰하면 어떤 일이 일어날까?
이걸 간단히 simulation 해 볼 수 있는 사이트가 있다.
https://phydemo.app/ray-optics/simulator/
검출기 위치를 앞뒤로 바꾸어서 마치 현미경의 ccd의 계측 위치를 바꾸어보는 효과를 재현해 볼 수 있다.
그러면 빛의 강도가 달라지며 무늬가 생긴다.
이걸 2차원으로 관측한 후 시각화하면 아래와 같다.
초점거리에서 관측하면 렌즈 중심이 가장 빛의 세기가 세지만 그렇지 않으면 오히려 렌즈의 가장자리가 빛의 세기가 중심보다 높게 된다. 그리고 그 옆으로 나간 빛들은 서로 간섭을 일으키며 보강, 상쇄간섭을 하며 무늬를 만든다. "아름답게"
그리고 이걸 3차원으로 시각화해 보면 더 아름답게 빛의 형태가 나타난다.
