과학도서 - 빛으로 말하는 현대 물리학 빛으로 말하는 현대 물리학

◎빛으로 말하는 현대 물리학◎
◆‘빛으로 말하는 현대 물리학’ 독후감
도서명 : 빛으로 말하는 현대 물리학
저자 : 고야마 게이타
빛으로 말하는 현대 물리학
토요일. 대구에도 휴교령이 내렸다. 그만큼이나 아침에 많은 비가 왔다. 매일 아침, 조회(?)와 동시에 독서동에 갔다가 등교하는 나로서는 그다지 좋은 일은 되지 못했다. 하필 내가 등교하는 시간에 너무 많은 비가 내려, 옷을 다 버려서 체육복을 입고 있다가, 친구의 도움으로 겨우 옷을 갈아입었으니... 아무튼, 아침의 그 해프닝(?)이 있은 후, 시간이 흘러, 비가 그치고 완전히 개었다. 그리고, 갑자기 `무지개`를 기대했다. 몇년이나 보지 못한 무지개였지만... `신의 선물`이라는 그 무지개가 왜 그렇게 보고 싶었던지..
쉬는 시간, 그렇게 무지개를 기대하며 창밖을 바라보다 무지개에 대한 환상이 깨어진 날-초등학교 때 자연시간이었다고 기…(생략)

`입자설`이 절대적인 것으로 확립되어 있었기에, 영이 그 절대적인 뉴턴을 부정하고 나섰기에 일어난 일이었다. `입자설`은 빛을 『화학 원론』의 33원소에 포함시킬 정도로 절대적 믿음을 가지고 있었다. 허나, 파리 과학 아카데미의 현상 공모의 결과, 프레넬의 파동설이 실험에 의해 증명되고, 갑자기 우위에 서게 되면서 파동설은 발달(?)하기 시작한다.
파동설은 푸코의 광속도 측정에 의해 확립된다. 입자설, 파동설 이 두 가지 모두가 반사, 굴절, 간섭을 설명할 수 있다. 하지만, 매질 속에서의 광속의 변화만큼은 두 주장이 대립한다. 즉, 파동설에서는 광속은 매질의 굴절률에 반비례한다고 주장하지만, 입자설에선 그 반대이다. 피조의 실험에 의해 그 실험-물을 이용하는..-이 가능해 지고, 이듬해 푸코는 그 실험으로써 파동설을 확립시킨다. 하지만, 빛이 어떤 파동이냐는 문제가 재등장하고, 이는 `전자기학의 연구`를 통해 발견된다.
덴마크의 외르스테드는 자침에 평행으로 둔 도선에 전류를 통과시키면 자침이 직각으로 진동한다는 것을 알고, 여기서부터 전,자기를 결부하는 현상이 발련된다. 이후, 프랑스의 아라고, 앙페르, 비오는 전자기학의 발판을 쌓아 나가기 시작한다. 다만, 이 때 자기에서 전기로의 변환이 발견되지 않아 어려움을 겪었다. 이 문제는 영국의 패러데이에 의해 해결된다. 그리고, 이를 통해 전자기학 구축의 발판은 만들어졌다. 그 후, 맥스웰은 그의 이론을 통해 전, 자기의 상호 관계를 기술하는 이론을 완성시킨다.
멕스웰의 이론을 정리하자면, 전기장과 자기장은 서로 근원이 되어 교대로 상대를 발생시키고 있는데, 이 상호 관계를 미분 방정식으로 나타내 보고, 그 방정식을 해석하여, 전기장과 자기장이 교대로 발생되어 가는 상태를 조사할 수 있다. 그리고, 전기장, 자기장에 관한 `파동방정식`이 완성된다. 즉, 두 개의 장이 진동이 진공 속을 전파해 간다는, 전자기파에 관한 것이 제시된 것이다. 여기서, "전자기파의 속도=광속"임을 알게 되고, 맥스웰은 "빛은 곧 전자기파다"라는 결론에 도달한다. 또한 전자기파의 존재성은 헤르츠의 실험에 의해 증명되고, 전파속도가 광속과 같다는 것 역시 확인되었다. 그리고, 광속의 중요성은 상대성 이론으로 이어진다.
영을 시초로 하여, 파동설이 발전되고, 외르스테드로부터 전자기학이 시작되어, 결구, "빛=전자기파"의 결론에 도달하기 까지의 과정은 곧 감동이었다. 입자설에 밀려, 하마터면 파묻힐 뻔했던, 파동설이 실제로 파동설을 없애기 위해 만들어진 대회에 의해 입증된 아이러니컬한 사실은 웃음을 자아내었다. 또한, 이 연구에 매달린 과학자들의 모습이 정말 아름다웠고, 닮고 싶었다. 19세기는 빛의 연구에 투자된 중요한 시기였고, 무한한 과학의 발전을 몰고 올 아름다운 사실(?) 하나를 확립시킨 세기였다고 생각된다.
전자기학과는 별 상관이 없는 이야기일지 모르겠다. 하지만, 작가는 빛, 즉 광속은 상대성 이론을 나타나게 하였고, 빛은 양자 역학과도 깊은 상관관계를 가진다. 이 외에도, 모든 것이 곧 빛과 관련이 있다. `만약 광속이 달랐더라면`하는 작가의 추측에서도 이는 더 확실하게 확인된다.
「그건 하나의 패러독스로부터 시작된다. 열여섯 살 때 소년 아인슈타인은 생각했다. `만약 빛의 속도로 빛을 추적한다면 빛은 정지해 보일 텐데도, 실험이나 이론에서는 그렇게 돼 있지를 않다. 그것은 왜냐?` 하고. 이 광속도에 대한 의문이 고전 물리학의 상식을 뒤엎는 상대성 이론을 탄생시키는 밑받침이 됐다고 한다. 극미의 세계를 탐구하는 양자 역학도 빛에 대한 연구가 실마리였다. 그렇다면 빛은 작게는 소립자의 세계로부터 크게는 우주 창성까지를 꿰뚫는 현대 물리학의 축이다. 그렇다면 인간은 빛에 의해 자연의 수수께끼를 어디까지 이해할 수 있었을까? 그리고 광속도가 달라졌더라면 이 우주는 과연 존재했을까?」-표지안쪽. 작가의 말에 따르면, "빛은 작게는 소립자의 세계서부터 크게는 우주 창성까지를 꿰뚫는 현대 물리학의 축이다."라고 한다. 결국, 그가 이야기하고 싶었던 것은 이것이 아닐까 하고 생각해 본다. 빛은 우리의 모든 것과 함께 하고 있다. 소립자의 세계 까지 들어가 보지 않더라도, `빛`이 없었다면 이 세상 역시 존재하지 않았을 것이고, 모든 것이 만들어지지 못했을 것이다. 그다지 과학과는 상관없는 이야기지만, 성경에서도 천지창조 때 신께서 말씀하셨다지 않는가. `빛이 있으라`라고... `빛`이 존재하였기에, 지금 우리가 보는 것, 듣는 것, 느끼는 것 그리고 알고 있는 이 모든 것이 만들어졌지 않을까.. 그리고, 기대한다. 우리를 있게 한 이 `빛`의 연구를 통해, 아직도 알지 못하는 많은 새로운 사실들을 발견하게 되고, 물리학이 더욱 더 발전하게 되길...