STAR Library

: e-collection의 첫 주제는 STAR library가 과학기술 연구자들에게 빛의 공간이 되기를 바라는 마음을 담아 선정했습니다.

2015년은 UN이 선정한 "세계 빛의 해" 입니다. 올해를 선정한 이유는 빛 즉 광학분야에 뛰어난 업적을 남긴 과학자들과 관련이 많기 때문입니다.
빛은 과학기술 발전의 교두보로서 우리의 일상생활에서도 중요한 역할을 하고 있는데요. 빛의 활용범위 또한 무궁무진합니다. 빛의 시작 부터 현재까지의 이야기를 과학자들의 이론을 중심으로 이야기를 하려고 합니다.

story of light

빛의 시작

프랑스국립도서관에서 디지털 아카이브한 '광학의 서'의 라틴어 번역본 "De Aspectibus"

1000년 전, 공기와 같은 존재인 빛에 대한 이론이 대립하고 있었습니다. 하나는 방출이론으로 빛이 눈에서 나와 사물을 볼 수 있다고 생각했고, 다른 하나는 흡수이론으로 물체에서 반사된 빛이 눈으로 들어온다고 생각했습니다. 그러던 중 이슬람 과학자 이븐 알 하이삼(Ibn Al Haytham, Alhazen)이 흡수이론을 증명하여 '광학의 서(Book of Optics)'에 발표 하였습니다. 우리가 아주 밝은 빛을 보았을때 눈부심을 느끼고, 멀리 떨어져 있는 별까지 눈에서 나온 빛이 도달 할 수 없다는 것을 그 근거로 들었습니다.
그밖에 '카메라 옵스큐라(Camera Obscura)'라는 것을 처음으로 설명했습니다.
작은 구멍을 통해 빛이 들어올때, 빛은 직선으로 들어오고 물체의 상이 위아래가 바뀌어 보인다는 것을 알게 됩니다. 이러한 것은 생리학적인 광학(눈)과 물리적인 광학(카메라)의 기초를 만드는데 영향을 주었습니다.

'광학의서(Book of Optics)'는 총 일곱개의 볼륨으로 구성되어 있는데요. 이책은 현대 과학의 대표적인 과학자 뉴튼 뿐만아니라 여러 과학자들에게 큰 영향을 주었습니다. 특히 뉴튼은 라틴어 번역본을 서재에 두었을 정도로 귀하게 여겼다고 합니다.

빛의 이중성 입자성 vs 파동성

17세기 빛의 파동성과 입자성이 등장했습니다. 18세기에는 뉴튼의 주장에 의해 빛이 아주 작은 미립자로 이루어져 있다는 입자성만 정설로 굳어졌습니다. 그러나 빛의 입자성만으로 설명되지 않는 것들. 예를 들어 빛이 입자라면 합쳐진 빛은 무조건 강해져야 하는데 그렇지 않음을 알게 되었습니다.
19세기 초 토마스 영이 빛의 간섭 실험과 이중슬릿 실험을 통해 빛의 파동성을 증명할 수 있는 이론적 근거를 제시했습니다. 이후 암페어가 프레넬에게 빛의 편광이 횡파라면 파동성에 의해 설명 될 수 있다는 것을 알려주고, 이를 바탕으로 프레넬은 빛의 파동성을 연구하여 1817년 프랑스 과학 아카데미에 발표했습니다.

전자기파설 150주년

빛이 전자기파의 일종으로 생각한 맥스웰은 전기장과 자기장을 4가지 방정식을 통해 증명했습니다. 하지만 맥스웰은 이론상으로 증명을 하였지만 실험으로는 증명하지 못했는데요. 맥스웰이 죽고 10년이 지난 1888년. 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)는 전기 스파크를 이용한 실험으로 전자기파설을 증명했습니다. 이것으로 빛의 입자성과 파동성의 대결에서 파동성이 우위를 차지한 것으로 보여졌습니다. 이후 전자기파설은 아인슈타인의 상대성이론과 라디오 통신기술의 기초가 되는 위대한 연구로 평가 받고 있습니다.

일반 상대성이론 100주년

아인슈타인에게 1905년은 '기적의 해'로 의미가 깊습니다. 우리가 한번쯤 들어 본 특수상대성 이론, 광양자설, 광전효과, 브라운운동 등이 이때 발표 되었습니다.
당시 맥스웰의 전자기이론과 뉴튼역학이 고전물리학의 기초를 이루고 있었습니다. 뉴튼역학의 이론은 시간과 공간이 절대적인 값이라는 정의하에 빛의 속도를 뛰어 넘을 수 있다고 했습니다. 하지만 상대성 이론은 정지상태에서도 많은 에너지를 갖는다고 이야기 하며 뉴튼역학을 반박한 'E=mc²"라는 것을 발표하게 됩니다.
상대성이론은 두가지 이론으로 나뉩니다. 먼저 발표된 특수상대성 이론은 중력을 제외한 내용에 대한 법칙이라면, 일반상대성이론은 중력의 법칙과 또다른 자연의 힘과의 관계에 대한 법칙입니다.

[Einstein]1915년 아인슈타인의 일반상대성이론에 대해 첫 공개연설 내용.
아인슈타인연구재단에서 수집한 자료

아인슈타인은 특수 상대성 이론보다 먼저 광전효과를 발표했습니다. 빛은 광자라는 에너지의 덩어리로서 불연속적인 입자처럼 운동한다는 이론으로 잊혀져 가고 있던 빛의 입자성을 다시 수면위로 올려놓았습니다. 당시 사람들은 아인슈타인의 광전효과가 맥스웰의 전자기파설을 부정하는 것으로 이해하였으나, 실제로는 이를 뒷바침 하는 이론이었습니다. 아인슈타인의 광전효과와 막스 플랑크의 양자설을 바탕으로 빛의 이중성을 이론상으로 증명하였지만 직접적인 방법으로 증명이 되지 않았는데요. 2015년 빛의 입자성과 파동성을 동시 촬영에 성공함으로써 빛의 이중성을 직접적으로 증명했습니다.

광섬유의 아버지 찰스 가오

그동안 노벨 물리학상은 일반인들이 이해하기 힘든. 실생활과 거리가 먼(?) 이론을 정립하고 증명하신 분들이 받았습니다. 위에 언급한 아인슈타인처럼요. 그런데 2009년 노벨 물리학상은 우리의 실생활과 관련있는 광섬유의 아버지 찰스 가오가 받았습니다.
찰스 가오가 처음으로 광섬유를 발견한 것은 아니었습니다. 광섬유는 1930년대부터 의료용으로 개발되어 이용하고 있었으나 길이 짧아 이용의 활성화 측면이 낮았습니다. 개발 당시 기술은 20m만 가도 1% 남짓의 빛이 남아있을 정도 였습니다. 찰스 가오는 그 원인을 빛이 불투명한 광섬유 자체에 산란되거나 흡수되기 때문에 불순물을 제거하면 빛의 신호를 멀리까지 제공할 수 있다고 생각했습니다. 이 이론을 기반으로 세계적으로 유명한 유리 회사인 코닝사에 제안하여 1km에 달하는 광섬유를 뽑아내었습니다.
찰스 가오를 광섬유의 아버지라고 부르는 이유는 그의 연구를 기반으로 오늘날의 광통신과 O2O 서비스와 같이 대용량의 데이터를 주고 받는 기술이 개발되고 있기 때문입니다.

참고문헌

작성자 : 윤지연