무지개는 어떻게 해서 생기는 걸까?

비가 오고 나면 무지개를 볼 수 있다. 맑은 날에는 어디를 돌아봐도 무지개를 발견할 수가 없다. 무지개가 생기는 이유는 무엇일까? 당연히 비와 관련되어 있기 때문일 것이다. 비가 오고 나면 대기에 물방울이 당연히 많게 된다. 그러므로 무지개가 생기는 이유는 당연히 이 물방울 때문일 것이다.

어떻게 해서 물방울 때문에 무지개가 생길 수 있는 것일까? 우리가 무지개를 볼 수 있는 것은 빛 때문이다. 무지개뿐만 아니라 그 어떤 것을 보기 위해서는 빛이 필요하다. 그렇다면 당연히 무지개는 물방울과 빛으로 인해 생기는 것이라는 것을 쉽게 알 수 있다.

결국 무지개란 빛이 물방울과 만나는 것에서 나타난다. 물방울은 공기 중에 떠 있으니 빛이 물방울과 상호작용을 하기 위해서는 빛 스스로 물방울에게 다가가야 한다. 그렇다면 빛과 물방울이 만나 어떤 일들이 생기는지만 알게 되면 무지개가 생기는 원리를 쉽게 이해할 수 있다.

우리가 목욕탕에 가서 발을 담근 후 물에 담긴 발을 쳐다보면 발이 휘어져 있는 것을 볼 수 있다. 즉 빛은 공기에서 물로 갈 때 직선으로 가지 않는다. 공기와 물은 그 매질이 다르기 때문에 빛은 그 경로를 바꾸어 간다. 빛이 물을 만나는 순간 그 경로가 휘어지는데 이를 굴절이라고 한다.

빛은 왜 매질이 다른 물질을 만나면 휘어지는 것일까? 그 이유는 간단하다. 가장 짧은 시간에 갈 수 있는 길을 택하기 때문이다. 예를 들어 우리가 육지에서 달릴 때 하고 물속에서 달릴 때를 생각해 보면 물속에서 달리는 것이 훨씬 힘들다. 그렇다면 물과 육지가 섞여 있는 경우 똑같은 거리를 간다면 어떤 경로를 택하는 것이 좋을까? 당연히 육지로 많이 달리고 물에서는 조금만 달리면 최소 시간으로 목표까지 갈 수 있다. 이를 흔히 “최소 시간의 원리”라고 부르는데, 물리학에서 가장 중요한 “최소 작용의 원리”의 하나이다.

빛이 공기를 진행하다가 물을 만나게 되면 최소 시간 안에 가기 위해 물속에서는 경로를 바꾸어 휘어져 가는 것이다. 그 휘어진 경로가 빛이 가장 빨리 갈 수 있는 길이 되는 것이다.

비가 와서 대기 중에 물방울이 있으면 빛이 물방울을 만나는 순간 한번 굴절해서 경로가 바뀐다. 물방울 안에서 빛은 진행하다가 물방울의 반대쪽 면에 도달하면 일부는 물방울 밖으로 나가기도 하지만 일부는 물방울 안에서 반사된다. 그 반사된 빛은 다시 물방울 밖으로 나오면서 대기를 만나 다시 굴절한다. 빛은 여러 가지 파장으로 이루어진 파동이기에 다른 파장의 빛은 그 굴절각과 반사각이 다르므로 물방울 밖으로 나온 빛은 파장에 따라 경로가 바뀔 수밖에 없어 전부 나누어진다. 즉 분산하게 되는 것이다. 빛이 프리즘을 통과하면 빨간색부터 보라색까지 나누어지는 것과 같다. 즉 물방울은 프리즘과 같은 역할을 하게 되면서 우리는 무지개를 볼 수 있게 되는 것이다.

또 하나 생각해 볼 것은 무지개를 자세히 관찰해 보면 무지개가 다 같지는 않다. 무지개의 크기도 다르고, 그 선명함도 다르다. 뿐만 아니라 무지개가 하나일 때도 있지만, 두 개일 경우도 있다. 흔히 쌍무지개라고 한다. 이렇게 다른 무지개를 볼 수 있는 것은 빛이 만나는 물방울의 크기, 물방울의 개수 등이 다르기에 그렇다. 즉 빛은 어떤 물방울을 만나느냐, 얼마나 많은 물방울을 만나느냐에 따라 다른 무지개를 만들어내는 것이다.

무지개가 조금씩 다르듯이 우리의 각자의 삶도 조금씩 다르다. 처음에 사람으로 태어나는 것은 비슷하지만, 누구를 만나느냐 어떤 일을 겪느냐에 따라 우리의 인생이 달라진다. 좋은 사람을 만날 수도 있고 나쁜 사람을 만날 수도 있으며, 좋은 기회를 잘 살릴 수도 있지만, 그런 좋은 기회를 다 놓칠 수도 있다. 그러한 삶의 굴곡이 우리의 인생을 결정한다. 하지만 중요한 것은 어떠한 경로를 겪어 삶을 살아갈지라도 우리의 인생은 아름다울 수 있다. 어떤 물방울을 만나도 무지개는 아름다운 것처럼 말이다.