과학도서 - 서양과학사 서양과학사를 읽고…

서양과학사를 읽고…
저자 : 오진곤
출판사 : 전파과학사
빛에 대한 끊임없는 논쟁, 그리고 그 해답..
우리는 항상 세상을 바라보면서 살고 있다. 가을이 되면 새롭게 피는 꽃들도 보고, 날아다니는 잠자리들도 보면서... 그리고 나아가 저 멀리 떨어진 별들도 바라보면서.. 그러다 보면 한번쯤 스스로에게 묻게 된다. 과연 우리는 무엇 때문에 수많은 것들을 볼 수 있는가? 그것은 바로 빛이다. 빛이 없다면 우리는 우리가 가지고 있는 감각 중 반을 포기해야 했을 지도 모른다. 실제로 인간은 자신의 감각 중에서 시각에 가장 많이 의존한다고 한다.
빛은 언제나 우리 곁에 있는 것 중에 하나다. 그러나 우리가 과연 빛에 대해 얼마나 알고 있을까? 나에게 있어서도 빛은 꼭 필요한 것이지만, 실제로 빛에 대해 잘 알려고 노력한 적이 없었던 것 같다.
그리하여 이러한 나의 무지를 채우기 위해 책 2권을 읽었다. …(생략)

어 있는 어둠이 더 많이 섞여 나오기 때문에 색깔이 달라지는 것이라고 해석했다. 프리즘가지고 약간의 장난만 쳐봐도 그의 주장이 틀린 것임을 알 수 있었을 텐데.. 내가 그 시대에 태어나서 그에게 한번 충고라도 할 수 있었으면 좋겠다.
그 이후 중세라는 기나 긴 암흑기를 지나 나타난 인물이 뉴턴이다. 근대 과학의 창시자 하면 떠오르는 인물. 난 책장을 넘기다가 그의 이름을 보기만 해도 긴장한다. 또 이 사람이 뭘 했을까 하고.. 이 책에서도 마찬가지였다. 그의 이름을 마주한 순간, 난 역시나 또 다시 긴장했다. 빛에 대해서 뉴턴은 뭐라고 했을까?
그는 프리즘에 의해서 빛이 무지개 색으로 갈라지는 것을 밝혀 무지개의 원리를 알아내었고, 물체가 색을 띠게 되는 것이 자신의 고유한 색을 다른 색보다 더 많이 반사하기 때문이라는 것을 밝혔다. 특히, 프리즘 두 개로 햇빛을 일곱 가지 색으로 분산시켰다가 다시 프리즘으로 모으면 백색 광이 되는 실험을 하여 태양광선이 일곱 가지 색으로 구성되어 있다고 주장했다. 이러한 내용들은 그가 `광학`이라는 책에서 밝혔다고 한다.
그리고 또 하나, 그는 자신이 생각한 것처럼 빛이 입자로 간주된다면 물 속에서는 빛이 떠 빨리 움직일 것이라고 했다. 아무리 생각해도 이 부분은 이해가 되질 않았다. 물도 분자로 되어 있고 빛도 입자로 되어 있다면, 분자끼리 서로 부딪히면서 속도가 늦어져야 할 것 같은데, 왜 그렇지 않을까? 튀기기라도 하는 것일까? 이러한 의문은 다른 곳에서도 해답을 찾을 수가 없었다. 결국 이 의문에 대한 답은 찾지 못한 채 책장은 계속 넘어가게 되었다.
뉴턴의 입자 설에 대하여 다른 이론을 내놓은 사람이 바로 호이겐스이다. 우리가 물리책에서 배우는 호이겐스의 원리로 널리 알려진 사람인데, 그 사람이 파동설을 확고히 한 인물인줄은 모르고 있었다. 호이겐스는 모든 공간은 `에테르`라는 희박하고 탄성이 있는 매질로 충만해 있는데 빛은 이 매질 속을 운동하는 파라고 하였다. 그러나 이 시대에는 많은 사람들이 입자설을 지지하였다고 한다.
그러나 시간이 오래지 않아 입자설로서는 설명할 수 없는 많은 현상들이 관찰되었다고 한다. 후에 영의 간섭실험과, 프레넬의 실험, 그리고 말뤼스의 편광의 발견 등은 빛이 입자가 아니라 파동이라는 생각을 더욱더 확신 시켜 주었다.
이러한 파동설의 증거에도 불구하고 여기에도 모순이 있었는데, 그것은 바로 빛을 음파와 같이 탄성파로 생각할 경우 그 매질을 가정해야 했다. 이것은 에테르라고 불렸는데, 이 물질을 가정하는데 많은 어려움이 있었다. 우주상의 많은 물질들의 움직임에 저항을 가해서도 안 되는 동시에 질량이 무한대에 가까워야 했기 때문이다. 그러나 1850년 푸코의 물 속에서의 광속측정에 의하여 빛이 파동이라는 설이 많은 지지를 얻기 되었다.
이 부분을 읽으며 과학의 발전에 대해서 깊게 생각해보았다. 전쟁이 과학기술의 발전을 촉진시켰듯 과학자들끼리 두 이론 또는 그보다 많은 이론 중에 무엇을 주장하며 그에 대한 증거와 다른 이론의 모순점을 찾아가는 과정에서 과학의 발전이 크게 일어나는 것을 이 경우에서도 볼 수 있었다.
19세기에 이르러 멕스웰에 의해서 빛이 전자기파라는 설이 인정 받게 된다. 그는 전자기학의 기본 방정식을 도출하고 이 방정식으로부터 전기와 자기가 주위 공간에 형성하는 전자기파의 형태로 진행하는 것이 가능하며, 이 경우 생성되는 파의 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 밝혔다.
나도 예전에 공부를 하면서 멕스웰 방정식을 본적이 있다. 지금은 어느 정도 이해하고 있지만 처음에 본 방정식은 나를 겁먹게 하기에 충분했다. `어잉? 이게 뭐지?`라는 의문이 절로 나왔다. 이것은 독일의 물리학자인 헤르츠의 실험에 의해 증명되었다. 이렇게 해서 빛의 전자기파설이 확립되었다고 한다.
아무리 훌륭한 이론이 하더라도 실험이 그것을 뒷받침할 수 없다면, 그리고 이론이 실험의 결과를 예측할 수 없다면, 그 이론은 잘못된 것이거나 필요 없는 것이다. 이러한 면에서 과학에서 실험의 중요성은 확고한 것이라 할 것이다. 그리고 이와 더불어 실험의 정밀성 또한 중요한 것이다. 예전에 정밀한 기계를 잘 만들수록 그 나라의 과학이 발전한다는 소리를 들었는데 그것이 정말로 맞는 말인 것 같다 한편으로 평생의 노력의 결과인 이론이 실험에 의해 좌우된다는 것은 너무나도 냉정한 과학의 단면이 아닌가라는 생각이 들었다.
마침내 마이켈슨과 몰리는 에테르의 존재여부를 가리는 실험을 수행하게 된다. 그러나 이 실험의 결과는 에테르의 존재를 확인시키는 것이 아니라 오히려 부정했다. 이 결과는 아인슈타인의 상대성이론과 밀접한 관련이 있는데, 상대성 이론에서는 에테르에 대한 운동을 논의한다는 것 자체가 무의미하게 된다.
이 이후 아인슈타인은 자신에게 노벨상을 안겨준 광양자설을 제창한다. 광양자설은 플랑크가 제안한 양자가설을 받아들인 것으로서 빛이란 입자로서 불연속적으로 진행한다는 생각이었다. 이 설은 광전효과를 훌륭하게 설명하였다. 이리하여 빛은 이중성을 지닌 것으로 여겨지게 된다.
우리는 우주를 빛이 있음으로써 인식할 수 있다. 어쩌면 빛이 없었다면 우주가 없었을 지도 모른다. 그래서 우리에겐 빛에 대해서 알아야 할 의무가 있는 것인 지도 모르고.. 하지만 분명한 것은 이 빛 때문에 과학이 더욱더 발전했다는 것이고 그에 대해 우리는 잘 알아야 한다는 것이다.