빛의 물리학 - EBS 다큐프라임 제작팀

40대 직장인 독서 전투 에세이

오래전 보았던 EBS 다큐프라임이 책으로 나왔다. TV에서 보았을 때, 우리나라에 과학을 주제로 한 다큐 방송이 있다는 것이 사막의 오아시스를 만난 느낌이었고, 대한민국이 한층 더 성숙되고 있다는 생각이 들었다. 머릿속으로 정리를 해보면 글은 크게 세 개의 덩어리로 분류할 수 있다. 상대성이론, 빛의 발견, 양자물리학이 그 덩어리라 할 수 있다.

첫 번째 상대성 이론이다. 저자는 특수상대성이론을 언급하고 일반상대성 이론으로 넘어간다. 로렌츠 변환 등 유도식이 빠져 아쉽지만, 빛의 속도는 30만 km/s로 절대적이라는 점, 이에 기인하여 빠른 속도로 움직일 때는 시간이 변한다는 점을 일반 상대성이론에서 강조한다. 일반상대성이론으로 넘어가면 제법 흥미로운 내용이 나온다. 예를 들어 원궤도에 있는 기차가 가속도 운동을 하면, 관찰자가 보기에 원둘레는 짧아진다. 특수 상대성 이론에 의하면 가속하는 물체는 길이가 짧아지는 것이다. 지름은 그대로인데 원둘레만 줄어들었다. 말이 안 된다. 아인슈타인은 파이값에 의문을 갖는다. 결국 아인슈타인은 친구, 마르셀 그로스만, 도움을 받아 오목한 공간에서는 파이가 3.14보다 크고, 볼록한 공간에서는 파이가 3.14보다 작다는 사실을 알게 된다. 원궤도에서 가속 운동을 할 때, 파이가 변하는데, 이는 공간이 휘었음을 의미한다! 가속도의 힘이 존재하는, 즉 중력이 존재하는 공간은 휘어진다. 이러한 내용은 영국 케임브리지의 아더 에딩턴 교수에 의해 증명되었다. 에딩턴팀은 게기 일식이 일어날 때 태양 뒤편에 있는 별의 사진을 관찰하여 빛이 태양의 중력에 의해 굴절되었음을 증명하였다.

두 번째, 빛의 발견은 갈릴레오 갈릴레이의 망원경으로 거슬러 올라간다. 갈릴레오는 오목렌즈와 볼록렌즈를 직렬로 연결한 30 배율의 망원경을 직접 개발하여 목성과 달의 표면 및 운동을 관찰한다. 목성의 경우 주위 행성(달)이 3개였다가 5개로, 다시 3개로 변하는 것을 보고 공전 운동을 하고 있을 것이라 예측한다. 그래서 지구가 움직이는 지동설을 주장하게 된다. 측정은 베네치아에서는 종탑에 올라가서 행해졌다. (베네치아 종탑은 2008년 방문했던 장소다. 배경 지식이 있었다면 더욱 흥미롭게 탐사를 했을 것 같다.)

2009년 베네치아 여행 중 찍은 산마르코 광장, 종탑. 갈릴레오는 이곳에서 하늘을 관찰했다.

케임브리지의 뉴턴은 반사경이 있는 망원경을 활용하여 천체관찰을 한다. 광학에서는 그는 빛이 여러 개의 다발로 이루어져 있음을 나타내었다. 프리즘을 활용한 색 실험이 대표적 증명 내용이다.
패러데이는 전자의 운동을 연구했고, 케임브리지의 맥스웰은 전자기의 운동을 연구하다가 속도를 계산해 낸다. 초속 31만 킬로 나타났는데, 이는 빛의 속도와 유사하다. 즉 전자기파는 빛과 같은 것이다. 1900년대 들어서는 뢴트괜 등에 의해 X선, 감마선 등이 추가로 발견되었다.
갈릴레오에서 출발한 빛의 발견은 뉴턴에 의해 가시광선 영역대가 연구되었고, 맥스웰에 의해 전자기학 영역과 합쳐지고. 그 이후 X선등 초단파 영역까지 연구되면서 빛의 스펙트럼이 밝혀졌다.

세 번째로, 저자는 원자 및 양자역학에 많은 지면을 할애하였다. 케임브리지의 JJ톰슨은 입자는 전자가 포함되어 있다는 것을 발견한다. 악어와 같은 집념을 보이는 러더포드는 실험을 통해 원자는 원자핵과 전자로 이루어졌다는 것을 발견한다. 닐스 보어는 원자핵 주위, 전자가 양자화되어 있어 궤도 운동하는 것을 발견한다. 하이젠베르크는 행렬 역학을 통해 전자의 움직임을 볼 수 없고, 예측만 할 수 있다고 했다. 비슷한 시기 슈레딩어는 파동 방정식을 유도하여 전자가 파동 성격을 갖고 궤도운동하는 점을 발견했다. 그러나 슈레딩어도 하이젠베르크의 논리처럼 전자를 발견할 수 없다는 같은 결론에 도달한다.

양자역학 설명 이후 마지막 단원은 초끈 이론으로 넘어가는데, 비전공자인 내가 이해하기에는 아직 어려운 부분이 많아서 정리는 생략한다.

머릿속으로 책을 정리해보니, 빛의 과학을 현대 물리학의 소재별로 잘 요약한 글이라는 생각이 들었다. 콘텐츠 및 출판 준비에 수고해 준 저자들에게 박수를 보낸다. 앞으로 고전역학, 양자역학, 화학, 생물 등 다양한 기초 과학분야의 내용은 방송이나 서작으로 출판되어 우리나라의 기초 역량이 한층 성숙되길 바란다.


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