빛은 세상이 만들어진 근원이며 또한 우리의 생명과 마음을 즐겁게 해주는 경이로운 존재입니다
현대는 과학이 발전하여 빛의 본질에 대하여 많이 밝혀져서 빛은 우리 눈에 보이는 빛뿐 아니라 보이지 않는 빛까지 온 우주를 가득 채우고 있다는것을 알고있으며, 또한 빛을 이용해서 지구 이 끝에서 저 끝까의 사람끼리 정보를 주고받는 놀라운 시대에 살고있습니다
이러한 발전의 원인은 고대에서 부터 시작된 빛에 대한 호기심과 탐구의 과정때문일것입니다
이 글에서는 고대에서 현재까지 인류가 빛을 어떻게 이해해 왔는지 그 인식의 변화 과정을 알아보겠습니다
고대의 빛에 대한 인식
오래전 그리스 사람들은 빛이 태양으로부터 오는 것이 아니라 우리의 눈에서 시각광선이 나와서 사물에 닿을 때 물체가 보인다고 생각했다고 합니다
지금 현대과학의 상식으로서는 이해가 안 되는 생각이지만 이러한 인식은 1500년 동안이나 계속되었습니다
그 당시의 사람들은 사람이 어떤 물체를 바라보고 있을 때 눈은 보고 있지만 그 물체를 자각하지 못하는 경우를 그 물체에 시각광선이 닿지 않아서라고 생각했다고 합니다
고대의 유명한 철학자 플라톤은 이러한 생각을 적극 받아들이고 자신의 세계관에 맞추어 설명했는데 그의 저서 티마이오스에서는 그의 시각 이론을 이렇게 정리해 놓았습니다
'눈 안에는 아주 순수하고 부드러운 일종의 불의 흐름이 있는데 그 광선이 나와서 외부의 빛과 결합하여 보고자 하는 사물과 접촉하면 시각이 발생한다고 주장하였습니다
이렇게 주장한 플라톤의 인식은 그의 세계관과 잘 맞았는데 이데아를 주장했던 그에게 본다는 행위는 영혼이 사물에 닿는 행위였습니다
예를 들어 영혼이 시선을 보낸다 눈길이 닿았다 누군가의 시선을 느낀다는 행위는 일종의 접촉처럼 느껴졌기 때문입니다 이러한 플라톤의 주장은 많은 사람들에게 설득력을 가지고 영향을 끼쳤습니다
그러나 일부 사람들은 이러한 생각에 반론을 제기하기도 했는데, 그들의 주장은 '만약 눈에서 시각광선이 나와서 사물이 보이는 것이라면 어두운 곳에서 물체를 바라보았을 때도 우리의 시선이 그 물체에 닿으면 그 물체가 보여야 된다 그러나 실제로는 그렇지 않다'라고 주장하였습니다
플라톤의 제자인 아리스토텔레스(BC322~384)는 빛에 대하여 '어떤 투명한 것의 흐르는(wave) 활동이라고 정의'하였지만 우리 눈에서 시각광선이 나와서 사물을 본다는 생각에는 별 다른 반론을 제기하지는 않았습니다
그 당시 사람들은 아주 깜깜한 방에 조그만 구멍이 뚫려있으면 그 구멍을 통하여서 밖의 풍경이 벽에 그려지는 현상(카메라 옵스큐라)을 알고 있었는데, 아리스토텔레스는 이러한 현상을 이용해서 일식현상을 관찰하기도 하였다고 합니다
이렇게 눈에서 시각광선이 나와 사물이 보인다는 인식은 많은 논쟁거리를 가지고 있었지만 1000년이라는 시간이 흐르는 동안에도 별다른 변화 없이 지속되었습니다
왜냐하면 이 시대는 철학과 신학 중심의 논리적 사고가 중심이 되는 시대였기 때문에 이러한 인식을 바꿀만한 사실적인 실험이나 근거가 없었기 때문입니다
이븐 알 아이삼과 광학의 탄생
그러다 AD1000년 경에 이르러서 아라비아의 광학자 이븐 알하이삼(965~1040)은 카메라 옵스큐라의 원리를 깊이 있게 실험하면서 고정된 인식을 깨기 시작하였습니다
카메라 옵스큐라는 완전히 빛이 차단된 어두운 방의 벽에 아주 작은 구멍 하나를 뚫습니다 그러면 그 구멍을 통하여서 빛이 들어오는데 이 빛은 바깥의 상을 어두운 방의 벽면에 나타냅니다
그는 이러한 현상을 보면서 '만약 눈에서 시각광선이 나와서 사물을 본다면 나는 지금 밖의 풍경을 보고 있지 않은데, 왜 이 벽면에 밖의 풍경이 그려지는 거지?'라는 의문을 가졌습니다
그리고 조그만 구멍을 막으면 밖의 풍경은 사라지고 맙니다
결국 밖의 풍경은 내 눈으로 보아서 여기에 보이는 것이 아니라 구멍을 통해 들어온 빛이 그려내는 것이었습니다
또한 빛에 의해서 투사된 이미지는 항상 일정하게 상하와 좌우가 바뀌어 나타났는데, 이러한 현상을 보면서 그는 빛은 항상 직선으로만 진행하는 성질이 있다고 추론하였습니다
왜냐하면 위쪽의 어떤 위치에서 들어온 빛은 항상 그 위치의 상만을 나타내고 아래쪽에서 들어온 빛도 항상 그 위치만을 그려내기 때문입니다
그는 구멍을 여러 개 뚫어서 실험해 보기도 하였습니다
그러자 벽 면에는 똑같은 이미지가 여러 개 나타났는데 서로 겹치면서 흐릿해졌습니다
또한 구멍을 크게도 만들고 작게도 해가며 실험하였는데 구멍을 크게 만들면 이미지가 흐려졌고, 작게 만들수록 이미지는 점점 선명해졌습니다
이러한 현상을 보면서 그는 구멍을 통해서 광선들이 들어오는데 들어오는 양이 적으면 겹치는 이미지가 적으므로 상이 선명한 것이고 큰 구멍을 들어올 때는 많은 수의 광선이 들어오므로 이미지가 겹쳐서 상이 흐릿해진다고 해석했습니다
그는 여러 가지 실험을 반복한 끝에 그는 빛은 기본적으로 직선으로 이동한다는 결론을 내렸습니다
그리고 그 빛이 이동하는 방식을 알고자 또 다른 실험을 하였습니다
옵스큐라 안 구멍 앞에 거울을 놓았습니다
그리고 정면에서 들어오는 빛이 어떻게 움직이는지를 관찰하였는데, 거울의 위치를 여러 각도로 변경해 가면서 빛이 이동하는 경로를 하나하나 표시해 나갔습니다
여러 번의 실험 결과, 빛이 들어오는 각도와 거울에 맞고 튀어나가는 각도는 항상 같다는 것을 확인하면서 그는 빛은 직선으로 이동하다가 어떤 물질과 부딪치면 튕겨져 나가면서 경로를 바꾼다는 결론을 내렸습니다
그는 이 실험을 그림으로 기록하였는데, 오늘날 최초의 광학 서적으로 알려진 '광학서'입니다
결론적으로 그는 우리의 눈에서 시각광선이 나와서 사물을 보는 것이 아니라, 태양에서 나온 빛이 사물에 닿아서 우리 눈을 통하여 들어와서 우리가 본다는 결론을 내렸으며 그의 서적 '광학의 서'에서 태양을 바라볼 때에 눈이 아픈 것은 빛이 태양으로부터 나와서 우리의 눈을 자극하기 때문이지 우리의 눈에서 시각광선이 나오는 것이 아니라고 주장하였습니다
카메라 옵스큐라와 인간의 눈
그리고 그로부터 수백 년 후 레오나르도 다빈치(1452~1519)는 카메라 옵스큐라를 이용해서 그림을 그리다가 카메라 옵스큐라의 구조가 사람의 눈의 구조와 흡사하다는 것을 알게 됩니다
그는 많이 알려졌다시피 빛을 탐구하는 화가였습니다
그런 그에게 '카메라 옵스큐라'라는 도구는 그림을 그리는 도구뿐만 아니라 빛을 탐구하는 수단이었을 것입니다
그는 또한 해부학에도 깊은 관심을 가지고 있었기 때문에 사람의 눈을 해부하게 되었는데, 눈의 구조가 앞 쪽에는 작은 구멍(동공)이 있고 뒤 쪽에는 상이 맺히는 막(망막)이 있다는 보게 됩니다
그 구조는 카메라 옵스큐라와 너무나 같은 구조였습니다
옵스큐라의 작은 구멍을 통하여서 빛이 들어오고 벽면에 이미지를 나타내듯, 사람의 눈도 동공이라는 작은 구멍을 통하여서 빛이 들어오고 안에 있는 막에 상이 그려지는 구조라는 것을 깨닫게 된 것입니다
그는 눈의 단면도와 옵스큐라의 구조를 노트 곳곳에 기록으로 남겼습니다
프랑스의 철학자이자 물리학자인 데카르트( 1596~1650)도 '본다'는 것에 대한 깊은 호기심으로 아주 황당한 실험 까지도 했다고 합니다
그는 황소의 눈알의 뒷 면을 긁어서 투명하게 한 후 그 눈 알을 카메라옵스큐라의 구멍에 꽂고 그 눈알에 밖의 풍경이 어떻게 보이는지를 실험했다고 합니다
그 결과 황소의 눈알에 보이는 사물도 카메라 옵스큐라와 같이 거꾸로 투영되어 보인다는 것을 확인하게 되었고, 그래서 사람의 눈의 구조도 이와 같을 것이라는 것을 알게 되었다고 합니다
이렇게 알아이삼, 레오나르도 다빈치, 데카르트의 시대를 거치면서 사람들은 시각은 눈에서 나오는 것이 아니라, 외부의 빛이 눈으로 들어와 망막에 상을 만드는 것이라는 사실을 일반적으로 인식하게 되었습니다
뉴턴, 빛을 분해하다
뉴턴 시대에는 삼각기둥 모양의 유리인 프리즘에 빛을 통과시키면 바닥이나 벽에 여러 색이 퍼지는 현상을 보기 위하여 프리즘을 많이 사용하였었습니다
고대의 이집트와 근동지방에서는 빛이 각진 유리나 수정을 통과할 때 각도가 꺾이면서 벽이나 바닥에 여러 색을 퍼뜨려놓는 현상을 알고 있었다고 합니다
그러나 이 여러 색이 빛이라는 것을 알지 못했던 고대인들은 유리나 수정 안에 색이 잠재되어 있어서 빛이 통과할 때 이 색들을 퍼뜨린다고 생각하였습니다
이러한 현상은 삼각형 모양의 유리에서 더 강하게 나타났기 때문에 사람들은 이 빛을 관찰하기 위해서 인공적으로 유리를 삼각기둥으로 만들었는데 이것이 프리즘입니다
1600년대 중반, 뉴턴 또한 이러한 현상에 흥미를 느껴 프리즘으로 빛이 퍼지는 관찰을 하다가, 만약 프리즘 안의 색이 빛에 의해서 여러 색으로 퍼지는 것이라면 프리즘을 하나 더 놓으면은 더 많은 빛이 나올 거라고 생각했습니다
그러나 놀랍게도 프리즘을 하나 더 놓아도 색이 더 분리되는 것이 아니라, 오히려 처음 프리즘에서 나왔던 색이 다시 합쳐지면서 하나의 흰 빛으로 돌아가는 현상을 보게 되었습니다
뉴턴은 이러한 현상에 놀라면 두 번째 프리즘을 거꾸로 놓아보았는데, 역시 여러 가지 색은 다시 빛나는 흰색으로 돌아가는 현상을 보며, 유리나 수정에 여러 가지 색이 잠재되어있었던것이 아니라, 빛이 원래 여러가지 색으로 이루어져 있다는 결론을 내렸습니다
또한 뉴턴은 빛이 프리즘을 통과하여 여러 색으로 나누어질 때 색마다 꺾이는 각도가 다르다는 것을 발견하였습니다
뉴턴의 실험으로 빛이 여러 가지 색으로 이루어져 있다는 것이 밝혀지면서 이 시대에는 프리즘 실험이 유행하였고, 빛의 색에 대한 관심이 폭발하였습니다
빛은 더 이상 신비가 아니었고 빨강에서 보라까지의 색은 아주 조화롭고 질서를 가지고 존재하였습니다
그러나 사실 빛을 이해했다고 생각한 그 순간에도, 사실은 빛의 아주 좁은 영역만을 탐구하고 있었습니다
왜냐하면 프리즘을 통과한 빛의 일곱 가지 색은 빛의 전부가 아니라 인간의 눈으로 볼 수 있는 시각의 한계였기 때문입니다
그러나 빛의 신비에 빠져 탐구하던 사람들에게 우연치 않은 행운이 주어지면서, 우리 눈에 보이지 않는 가시광선 너머의 빛들이 발견되기 시작합니다
다음 글에서는 가시광선 너머의 영역을 발견한 과학자들의 이야기를 해보겠습니다