< 일러스트 OpenAI의 DALL·E 제공 >
우리 주변에서 많은 도움을 주는 빛은 무엇인가?
[위즈덤 아고라 / 이승원 기자] 우리 주변에는 항상 보이는 것이 있다. 바로 빛이다. 빛이 없다면 우리는 어떠한 물체도 볼 수 없고 까마득한 어둠 속에 있게 된다. 또한 빛이 없었다면 어떠한 생명도 지구에 존재하지 않았을 것이다. 그렇다면, 빛은닫기그렇다면,빛은 어디에서 오고 어떻게 만들어졌을까?
빛의 근원, 태양
지구는 태양으로부터 빛을 얻는다. 태양은 스스로 빛은 내는 별로 지구뿐만 아니라 주변에 자리하는 행성들에게 에너지를 제공한다. 이 에너지는 지구에 있는 생명체들에게 성장과 삶의 기반이 된다. 예를 들어, 식물들은 태양빛으로 광합성을 하고, 사람은 태양빛을 이용하여 전기를 만들어낸다. 또한 빛은 우리가 정보를 인식할 수 있도록 돕는다. 물체에 반사된 빛이 눈에 들어오면, 그 빛은 시신경을 통해 뇌로 전달된다. 뇌는 이 신호를 처리해 우리가 사물을 보고 인식할 수 있도록 만든다.
빛이란 무엇인가
빛은 일반적으로 파장이 약 400 나노미터(nm)에서 700 나노미터 사이인 전자기파를 의미한다. 이 범위의 전자기파는 인간의 눈으로 볼 수 있기 때문에 ‘가시광선’이라고 부른다.
한편, 400nm보다 짧거나 700nm보다 긴 파장도 전자기파에 포함되며, 넓은 의미에서 모두 ‘빛’으로 분류된다. 다만 이러한 파장은 사람의 눈에 보이지 않기 때문에 ‘비가시광선’이라 부른다. 예를 들어, 감마선은 아주 짧은 파장을 가지고 투과력이 뛰어난 빛을 칭한다. 감마선의 파장은 수소 원자보다 작은 크기로 엄청나게 큰 에너지를 가지고 있다.
고전 물리학에서는 빛은 매질 없이 전할 수 있는 물질을 뜻하는 것이었다. 빛은 원자나 분자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 이동할 때 생기는 에너지로, 이때 방출되는 에너지가 곧 빛이다.
빛은 어떤 모습일까
뉴턴은 매우 권위 있는 과학자였다. 실질적으로 고전 물리학의 끝을 맺은 사람이고, 물리학의 새로운 세대로 가기 전의 마지막 발판이 된 과학자이기 때문이다. 뉴턴은 빛은 매우 작은 입자이고 매우 작은 질량을 가져 측정하기 힘들다고 판단했다. 하지만 뉴턴의 입자설에는 한계가 있었다. 대표적인 예가 슬릿 실험이다. 슬릿(가늘고 긴 구멍)에 빛을 통과시켰을 때, 만약 빛이 입자이면 직선적인 운동을 할 것이다. 그러나 결과는 다른 것을 보여주고 있었다. 빛은 방향이 휘어져 여러 방향을 향해 퍼지는 운동을 하고 있던 것이다.
이러한 이유로 몇몇 과학자들은 빛이 파동이라고 주장했다. 파동은 한 지점에서 여러 방향으로 퍼지는 성질을 가지며, 이 특성은 슬릿을 두 개로 늘렸을 때 더 뚜렷하게 드러난다. 슬릿이 2개라면 2개의 빛기둥이 반대 벽에 생겨야 한다. 그러나 빛기둥은 여러 개로 나뉘고, 서로 다른 세기로 생기게 되었다. 이것은 간섭무늬로, 파동이 서로서로 간섭하여 서로 겹치는 위치가 생기는 것이었다.
이 논쟁은 영국의 물리학자 맥스웰이 전자기파 이론을 내놓은 후 전환점을 맞았다. 맥스웰에 따르면, 빛은 전기장과 자기장이 서로 직각 방향으로 진동하며 진행하는 파동, 즉 전자기파이다. 이때 전기장의 진동 파는 우리가 볼 수 있는 것이므로 빛이 우리 눈에 보이는 것이라고 밝혔다.
그러나 20세기 초, 또 한 번의 전환점이 찾아왔다. 막스 플랑크라는 과학자가 흑체를 이용하여 낸 가설로 시작했다. 그는 흑체, 말 그대로 모든 빛을 흡수하는 검은 물체가 열에 따라서 고유의 진동수를 가진 빛을 방출한다는 것을 알아냈다. 이 사실을 통해 빛 없이 흑체 스스로 빛을 만들어 낸다는 사실을 발견했다. 이후 각각 진동수를 가진 빛의 최소 에너지 값을 찾은 후 양자라는 정의를 정립했다. 이 양자는 물리학에서 가장 작은 단위를 나타내는 것이다.
이후 아인슈타인은 플랑크의 이론을 바탕으로 ‘광자’(photon)라는 개념을 도입했다. 광자는 빛을 이루는 에너지를 가진 입자이다. 이 광자는 최소한의 에너지를 가지므로 더 이상 쪼개질 수 없는 “입자”였다. 이로써 빛은 입자이면서 동시에 파동의 성질도 가진다는, 이른바 ‘빛의 이중성’이라는 새로운 개념으로 설명되기 시작했다.
우주의 역사를 보여주는 빛
빛은 우리 눈으로 파악할 수 없을 정도로 빠른 속도를 가지고 있다. 빛의 속도는 초당 3억 미터를 이동하며 (정확히는 299,792,458m/s) 이 속도는 1초에 지구 7바퀴 반을 돌 수 있는 속도이다. 하지만 이렇게 빠른 빛이라도 우주를 이동하는 데에는 많은 시간이 걸린다. 가까운 거리라면면 몇 시간이 걸릴 수 있지만 멀어질수록 그 시간은 수년이 걸릴 수 있다. 이때 빛이 1년 동안 가는 거리를 광년이라고 부른다. 태양계가 있는 우리 은하의 지름은 약 10만 광년에 이른다.
이렇게 큰 우주에서 이동하는 빛을 이용해 우리는 우주의 탄생과 그 이후에 대한 관측을 할 수 있다. 이 빛을 우주배경복사(Cosmic Microwave Background, CMB)라고 하며, 우주의 탄생 요인인 빅뱅 이후 약 38만 년 후에 우주가 냉각되며 빛이 이동할 수 있을 때 방출된 빛이다. 이 빛은 아주 탐지하기 어렵지만, 이 빛을 통해 연구원들은 우주의 과거에 대한 정보를 수집하고 있다. 예를 들어 우주의 초기 환경인 온도와 밀도들을 확인할 수 있었고, 아직 이론에 불과한 빅뱅을 가장 잘 뒷받침하고 있는 증거로 이용된다.
끝마치며
빛은 지구의 생명과 연결되는 아주 중요한 요소이며 우리의 삶의 일부이다. 아직 빛에 대해 많이 밝혀지지 않았지만 연구원들의 계속된 노력과 끊임없는 연구를 통해 언젠가는 우리가 빛에 대해 훨씬 더 많은 정보를 가질 수 있을 것이다. 그리고 빛을 통해 우리가 알지 못하는 우주의 비밀을 더욱 탐험할 수 있을 것이다.
[위즈덤 TECH] 물리학은 사람들 사이에서 다가가기 어려운 학문으로 알려져 있습니다. 그러나 물리학은 우리가 하는 모든 움직임, 살고 있는 집, 현재 제가 사용하고 있는 이 노트북까지 물리학에 관련된 개념과 정보가 들어가 있습니다. 이렇듯 물리학 없이 살기 어려운 세상에서 물리학이 어떻게 일상생활에 사용되는지 재미있고 쉽게 배울 수 있는 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 이승원 기자의 ‘위즈덤 TECH’으로 일상생활에서 접할 수 있는 재미있는 물리학의 세계를 함께 배워 보세요.
