또 다른 과학 혁명,광학

2-5,뉴턴 프린키피아

(1) 빛과 색의 본질

"색은 물체에 존재하는 고유한 성질이며, 빛에는 색이 없다."

고대 그리스의 철학자

아리스토텔레스의 생각입니다.

어떤 물체가 특정 색을 띠는 이유는

해당 물체가 그 색을 지니고 있기 때문이며,

물체 본질의 색은 빛이 없어도 유지된다고 본 것입니다.

예를 들면 사과가 가진 빨간색은 사과의 본질적인 색이므로 빛의 유무와는 상관없이 그 고유한 색은 사라지지 않는다는 주장이지요.

데카르트는 아리스토텔레스의 의견에 의문을 제기하며 빛 실험을 시작합니다.

그리고 색이란 빛이 물질에 닿았을 때 변형하여 생기는 것으로, 빛이 가진 여러 색은 공간을 채운 에테르의 회전 속도가 다르기 때문에 나타나는 것이라고 결론을 내립니다.

데카르트가 생각한 ‘에테르’는 빛의 매질이라 상상했던 가상의 물질입니다. 빛의 반사나 굴절에 의해 에테르의 회전 속도가 달라지고 우리의 눈은 이를 통해 색을 인지한다고 생각한 것입니다.

예를 들어 빨간색은 회전이 가장 빠를 때,

파란색은 회전이 가장 느릴 때 생긴다는 입장이지요.

데카르트의 주장도 오늘날 밝혀진 빛과 색의 본질과는 거리가 먼 내용입니다.

하지만 그의 빛 실험은 뉴턴의 프리즘 실험에 영향을 미쳤고,

아리스토텔레스로부터 중세까지 이어져 오던 빛 세계관을 깨는 데 공헌함으로써 근대 광학의 발전으로 이어질 수 있었습니다.

(2) 프리즘 실험과 『광학』 발간

‘빛의 고유한 성질은 무엇인가,

그리고 빛은 어떻게 움직이는 것이고 어떻게 보이는 것일까.’

빛의 현상을 다루는 광학은 물리학 분야 중 하나입니다.

광학은 자연 과학 중에서는 가장 오래된 분야라고 할 수 있으며, 현대에 들어와서는 기하광학, 파동광학, 분광학, 양자광학, 비선형광학, 광유전학 등으로 연구 영역이 더 넓어졌습니다.

호기심이 매우 왕성했던 뉴턴 또한 빛에 대한 관심이 대단했습니다.

그의 연구는 케플러와 데카르트의 광학을 깊이 독학하면서 시작됩니다.

이후 본격적으로 프리즘 실험을 하면서 빛의 성질을 새롭게 발견합니다.

그는 둥근 광선이 프리즘을 통과하면 길쭉하게 보이는 현상을 관찰합니다. 그리고 백색광 안에는 원래 굴절률이 다른 여러 색깔의 광선이 있고, 이것이 프리즘을 지나 다른 각도로 굴절되어 길쭉한 스펙트럼이 되는 것이라는 결론을 내렸습니다.

그 뒤로도 뉴턴은 태양광을 프리즘에 통과시켰을 때 굴절률에 따라 색상이 무지개색으로 분해된다는 것을 관찰했고,

마침내 1704년 이 기록들을 정리하여 『광학』을 발간합니다.

『프린키피아』와 더불어 뉴턴을 대표하는 역작으로 손꼽히는 『광학』은 어려운 라틴어가 아니라 비교적 쉬운 영어로 집필되었습니다.

그리고 철저하게 뉴턴의 빛 실험을 바탕으로 정밀한 묘사와 함께 연구 결과나 근거가 서술되어 있습니다.

앞선 과학자들의 업적을 종합하고 발전시켜 새로운 이론을 창조하는 뉴턴의 과학적 탐구 방법은 이 책에서도 유감없이 발휘되었다고 평가됩니다.

(3) 입자설 vs. 파동설

“빛이란 무엇일까? 빛을 확대해서 보면 어떻게 생겼을까?”

17세기, 여러 과학자는 빛이 입자인지 파동인지를 두고 팽팽하게 대립합니다.

뉴턴은 자신의 저서 『광학』에서 빛을 일종의 ‘입자’로 설명했습니다.

앞서 로버트 훅이 빛의 파동설을 주장하기는 했으나 크게 주목받지 못했고,

뉴턴의 입자설이 곧 학계의 정설로 받아들여집니다.

그러나 ‘빛의 입자설’을 인정하지 않았던 네덜란드의 물리학자 크리스티안 하위헌스는 새로운 연구로 ‘빛의 파동설’을 밀어붙입니다.

“빛은 물결처럼 흐름이 있기 때문에 처음부터 파동이다.

만약 빛이 입자라면 빛과 빛이 부딪힐 때 튕겨져야 하나, 빛에다가 빛을 쏴도 사방으로 튀지 않기 때문이다.”

하위헌스뿐만 아니라 다른 과학자들도

빛이 파동이라는 입장을 계속해서 설파하면서 약 200년 동안 논쟁이 이어집니다.

어떤 실험에선 파동이 맞고 어떤 실험에선 입자가 맞다는 실험 결과들이 되풀이되면서 혼돈의 시기가 지속된 것이지요.

이 모든 논쟁은 20세기 초 알베르트 아인슈타인의 등장으로 정리가 됩니다.

아인슈타인은 ‘빛은 광자’라는 이론으로 광전 효과를 완벽하게 설명해 냈습니다.

간단히 말하면 빛이 입자 알갱이처럼 행동한다는 뜻입니다.

하지만 보통의 입자와는 달리 각각이 고유한 진동수, 즉 파장이 있다는 것이지요.

천재 아인슈타인은 노벨 물리학상까지

받게 되고 그제야 과학자들은 빛이 파동이면서 입자라는, 빛의 이중성을 이해하기 시작했습니다.

(4) 추상화 이해하기

자, 이제는 추상화를 함께 살펴볼까요?

태양을 품은 프리즘을 한 손이 감싸고 있습니다.

이는 빛에 대한 뉴턴의 남달랐던 호기심과 열정, 노력을 상징합니다.

또한 미켈란젤로의 그림 <천지창조>에 나온 예수님의 손처럼 구름 낀 하늘 사이로 빛을 창조하는 모습을 묘사한 것 같기도 합니다.

뉴턴의 실험도 이런 창조성을 그대로 담고 있으니까요.

뉴턴은 다양한 종류의 프리즘을 가지고 빛 실험에 몰두합니다.

그리고 마침내 일곱 가지 빛깔의 색 스펙트럼을 발견해 내지요.

그림 속 형형색색의 조각들은

뉴턴이 마침내 알게 된 빛의 성질을 표현합니다.

배경에 그려진 두꺼운 벽은 프리즘이 솟아오르며 와르르 무너지기 시작합니다.

이는 오랜 기간 견고하게 자리하고 있던 기존의 인식이 뉴턴의 프리즘 실험으로 한순간에 와해했음을 보여 줍니다.

색은 물체가 가진 고유한 속성이 아니라

빛이 가진 고유한 속성이라는 실험 결과를 통해 빛에는 색이 없다는 오랜 고정관념을 무너뜨린 것이지요.

뉴턴의 손에 태양 빛이 담겼고 파장처럼 물길이 열렸습니다.

이는 뉴턴이 빛에 대한 인식의 지평선을 확장했음을 시사합니다.

그러나 한편에서는 빛이 파동이라고 주장하는 학자들에 막혀

뉴턴의 실험이 부정당하기도 합니다.

오른쪽 벽은 이런 반대 논리를 형상화한 것이라고 볼 수 있습니다.

프리즘은 어느새 뉴턴이 집대성해서 발표한 저서 『광학』으로 변화했습니다.

가운데에서 빛나는 빛처럼 뉴턴의 집요한 연구가 진리의 빛이 되어 세상을 환하게 밝힌 것이지요.

책 주변에 놓인 구조물들은 뉴턴의 연구로부터 시작되어 새롭게 세워진 이론들을 의미합니다.

입자설과 파동설의 대립도 20세기 초 아인슈타인에 의해 빛이 입자임과 동시에 파장임이 밝혀지며 인식의 지평선을 다시 한번 넓힐 수 있게 되었지요.

드디어 추상화가 완성되었네요.

다양한 색의 빌딩들처럼 우리의 실생활에 밀접한 영향을 주는 광학.빛에 대한 뉴턴의 집요한 탐구로 광학에 대한 인류의 이해는 오늘날에 이를 수 있었고, 또 미래를 향해 길게 뻗어 나갈 수 있게 되었습니다.

Plato Won