‘렌즈’를 통해서 보다

책을 읽는 데 어려움을 겪는 삼람들, 책을 멀리 들고 글을 보는 사람들을 우리는 흔히 본다. 또 다른 사람들은 책을 눈 앞에 바짝 가져다 대야만 글을 읽을 수 있다. 물건을 보는 데 왜 이러한 차이가 있는가? 그것은 눈 속에 들어 있는 ‘렌즈’의 작용과 관계가 있다.

광선을 굴절시키는 ‘렌즈’

우리 주위에 있는 물체에서 반사되는 광선은 눈의 수정체[렌즈]를 지나 안구(眼球)의 뒤편에 있는 망막(綱膜) 위에 상(像)을 만든다. 이 상이 두뇌에 연결된 신경을 작용시키며, 그리하여 활동사진이 형성된다. 그러나 이들 상(像)은 꺼꾸로 즉 도립(倒立)한다! 하지만 눈을 만드신 분께서 또한 두뇌로 하여금 이러한 상들을 올바로 만드는 방법을 지시해 주신 점은 실로 복된 일이 아닌가!

상이 눈 속에서 꺼꾸로 만들어지는 것은 눈의 ‘렌즈’가 볼록하기 때문이다. ‘렌즈’의 크기는 정제 ‘아스피린’ 정도이다. 그리고 이러한 형태의 ‘렌즈’는 그것을 통과하는 광선을 굴절시키는 특이한 성질이 있어서 광선을 발하는 물체의 상을 꺼꾸로 형성한다.

확대경을 가지고 이 점을 알아볼 수 있다. 확대경은 마치도 두개의 접시를 마주 엎어놓은 모양과 같아 가장자리보다 중앙 부분이 더 두껍다. 그것은 어느 거리에까지 놓으면 물체를 확대해서 보이게 한다. 그것을 통과하는 광선을 굴절시키는 성질이 있기 때문이다. 아마 당신은 이 잡지도 그러한 ‘렌즈’를 사용하여 읽고 있는지 모르겠다. 하지만 확대 현상은 보는 물체가 ‘렌즈’에서 가까이 있을 때, 곧 그 ‘렌즈’의 촛점 거리의 두배보다 더 가까울 때에만 일어난다. 이제 눈과 확대경 사이의 거리를 넓혀 보라. 팔을 쭉 펴서 들고 벽 위의 그림을 보라. 모든 것이 꺼꾸로 보이게 될 것이다. 왜 그러한가? ‘렌즈’를 통한 광선이 안쪽으로 굽기 때문이다. 상은 도립(倒立)한다.

볼록 ‘렌즈’의 중심축을 지나는 광선은 별로 굴절하지 않는다. 그러나 ‘렌즈’의 중심축 이외의 점을 통과한 광선은 굴절하여 초점이라고 하는 한 점을 지난다. 이 점과 ‘렌스’ 축과의 거리를 초점 거리라고 한다.

당신은 확대경을 사용하여 불을 일으켜 본 적이 있는가? 고대 희랍인들과 ‘로마’인들은 물을 가득 담은 유리 그릇을 “화경”(火鏡)으로 사용하였다고 한다. 태양 광선이 물을 통과한 다음 굴절하여 초점을 지나게 되고 거기에 놓여 있는 가연성 물질에 불을 붙이는 것이다. 실제로 당신도 종이와 ‘렌즈’와의 거리를 조절하여 종이 위에 조그마한 흰 점이 만들어지도록 태양 광선의 초점을 만들 수 있을 것이다. 이 점은 얼마 안가서 대단히 뜨겁게 되어 종이가 타게 될 것이다. 하얀 점은 사실상 ‘렌즈’의 초점 위에 나타난 태양의 상이기 때문이다. 그러므로 ‘렌즈’를 통하여 해를 보지 않는 것이 지혜로운 일이다. 특히 망원경이나 쌍안경을 통하여 본다면 눈에 불치의 상처를 줄 것이다.

다른 형태의 ‘렌즈’는 오목 ‘렌즈’라고 하는 것으로, 두개의 접시를 밑바닥을 마주대어 놓은 것과 같이 가장자리가 중심보다 두꺼운 ‘렌즈’이다. 이 ‘렌즈’는 그것을 통과한 광선을 분산시킨다. 오목 ‘렌즈’는 흔히 볼록 ‘렌즈’와 결합해서 많이 사용되며, 광선을 분산시키는 성질이 있어서 시력을 보조하는 데 사용하기도 한다.

유리 ‘렌즈’는 약점이 있다

이미 다 아는 바와 같이 ‘렌즈’는 창문 유리 조각과 같은 것이 아니다. 그것은 특수한 유리를 ‘렌즈’ 제작가들의 특수한 방식에 따라 각도의 굽은 정도를 세밀히 측정하여 만든 것이다. 일반적으로 광학 기구에 사용할 때에는 손으로 들고 보는 독서용 돋보기보다 ‘렌즈’가 훨씬 더 얇다.

단순 ‘렌즈’에는 몇가지 문제가 있는데 그중 가장 흔한 것으로는 구면 수차(球面收差)와 색수차(色收差)라는 문제이다. 단순한 한개의 ‘렌즈’에 의해 생긴 상을 자세히 보면 구면 수차라는 것을 볼 수 있을 것이다. 이것은 물체에서 나온 광선이 ‘렌즈’를 통과할 때에 약간 다른 각도로 굽고 그 결과 동일한 점에 명료한 초점을 이루지 않기 때문에 생기는 것으로 상이 찌그러진 현상이다. 사람의 눈에는 이러한 문제가 없다. 또한 사람이 만든 ‘렌즈’에서 나타나는 문제로서 ‘렌즈’의 가장자리로 갈수록 선명도가 떨어지는 일도 없다.

우리는 또한 색수차 때문에 고생하는 일도 없다. “백색 광선”은 충분히 굴절시키면 ‘스펙트럼’이라고 하는 일곱 가지 색(빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남, 보라)으로 나누어지는데, 이들 각각의 색은 약간씩 다른 각도로 굴절되어 서로 다른 거리에 초점을 이룬다. 즉 보라색이 맨 처음에, 빨간색이 맨 나중에 초점을 이룬다. 이 때문에 상의 가장 자리에 무지개와 같은 색수차라고 하는 현상이 나타난다.

인간이 만든 ‘렌즈’로는 모든 수차를 다 보정하는 것이 불가능하지만 몇 가지 정밀 ‘렌즈’를 결합시켜서 효과적으로 보정할 수 있다. 이러한 ‘렌즈’들을 북‘아메리카’산 ‘발삼’ 전나무에서 나온 수지(樹脂)인 ‘캐나다’ ‘발삼’으로 접착시킨다. 어떤 ‘렌즈’에는 다중상(多重像)을 막기 위하여 ‘코우팅’을 하기도 한다.

또한 망원경, 쌍안경, 현미경 등에는 복잡한 방법을 사용한다. 이들은 다음과 같은 원리로 만들어진다. 곧 볼록한 대물(對物) ‘렌즈’로 현미경이나 망원경의 통 속에 상을 만들고, 그 상을 ‘스크린’에 비치는 것이 아니라 대안(對眼) ‘렌즈’의 초점 거리 안에 이루어지게 한다. 거기에 형성된 상을 다음에 대안 ‘렌즈’를 통과시켜 물체에 대한 확대된 상을 보게 된다.

현미경에 있어서는 상이 도립(倒立)되어 보이더라도 문제가 되지 않는다. (처음에 비춰 볼 ‘슬라이드’를 거꾸로 돌려 놓으면 된다) 그러나 자기가 찾아가는 항구가 쌍안경이나 망원경에 꺼꾸로 나타난다면 어느 선장(船長)이든지 만족하게 생각지 않을 것이다. 그러기 때문에 이것을 수정하기 위하여 대물 ‘렌즈’와 대안 ‘렌즈’ 사이에 다른 ‘렌즈’나 ‘프리즘’을 끼워 넣는다.

지성있는 인간으로서도 ‘렌즈’를 만드는 일에는 광학에 관한 철저한 지식, 광선의 굴절에 대한 수학 공식 그리고 이 분야에 기술이 있는 다른 사람을 통하여 여러 햇 동안 기술을 습득해야 된다. 사실이 그러한만큼, 생명의 근원에 대하여 토론할 때에, ‘어떤 사람들이 어떤 식의 논리에 입각하여 지성있는 창조주가 없이 자연계의 복잡 기이한 것들이 저절로 존재하게 되었다는 부조리한 결론을 내리는가?’ 하는 ‘아이작 뉴우톤’의 말을 사용할 만하다.

눈 속에 있는 최상의 ‘렌즈’

사람의 눈 중앙에 “검은 구멍”이 있는데, 그것은 사실상 눈 속 ‘렌즈’를 통하여 안구(眼球) 속의 어두운 부분이 보이는 것이다. 색깔이 있는 홍채(紅彩) 배후에 모양근(毛樣筋)에 의하여 조그마한 ‘렌즈’가 고정되어 있으며, 인간이 인공적인 ‘렌즈’에 적용하는 것과 동일한 굴절의 법칙이 적용된다. 뇌가 망막으로부터 전달되어 온 신경적 자극을 완전한 색깔을 가진 삼차원(三次元)의 활동 사진으로 변경시켜서, 우리의 몸에 대한 광학적 비례에 따라 망막에 나타난 상보다 더 크고 훌륭한 직립한 광경을 보게 해 준다. 이것은 콩알맹이를 볼 때에나 접시, ‘라이락’ 화분 또는 눈덮인 웅장한 산을 볼 때에나 마찬가지이다.

사람이 무릎 위에 놓인 지도를 보다가 다음 순간에 몇 ‘킬로미터’ 떨어진 풍경이나 산을 즉시 볼 수 있다는 것은 눈의 ‘렌즈’가 완전하게 만들어졌음을 나타낸다. 눈의 ‘렌즈’는 순간적으로 초점을 맞추며, 자동적으로 인간이 만든 ‘렌즈’에 나타나는 수차를 보정한다. 만일 고개를 돌릴 때마다 항상 찌그러진 상을 보게 되고 각 상의 가장자리에 여러 가지 색깔이 나타난다면 얼마나 혼돈되겠는가!

눈이 가진 굴절, 초점거리 조정 작용, ‘렌즈’ 그 자체, 각막(눈을 덮고 있는 투명하고 만곡된 막) 등은 진정으로 창조주의 지성있는 솜씨를 선포한다. 사람의 눈을 생각한다면 자기의 자연 도태설이 불합리하다는 것을 ‘찰스 다아윈’도 인정하였다. “거리에 따라 초점을 조절하는 장치, 들어오는 광의 양을 조절하는 장치, 구면 수차와 색수차를 보정하는 장치 등, 흉내도 낼 수 없는 모든 장치들을 갖춘 눈이 자연도태에 의하여 형성되었다고 가정하는 것은 고도로 불합리하게 보인다는 사실을 나는 솔직히 고백한다.”—「종의 기원」 190.

안경

눈의 ‘렌즈’는 극히 유연하여 굽힐 수도 있고 쭉 늘여 납작하게 만들 수도 있다. 이러한 능력과 각막의 굴절 능력 때문에 변형을 일으킴이 없이 즉각적이고 정확한 초점 조절을 할 수 있게 되는 것이다. 하지만 나이가 들면 ‘렌즈’나 거기에 부착된 모양근(毛樣筋)이 경화되어 시력 조절이나 선명한 초점 조절이 좀 어렵게 된다. 어떤 사람들은 안구의 모양이 특이하기 때문에 아마 길이가 24‘밀리미터’인 평균치보다 더 길거나 더 짧기 때문에 초점 조절이 어려운 수도 있다.

눈은 원거리에 있는 물체를 볼 때에 쉬게 되고 가까운 거리에 있는 물체를 볼 때에는 모양근에 의하여 두껍게 압축된다. 이러한 근육의 작용 때문에 눈에 가까이 대고 일을 할 때에나 독서 혹은 글을 쓸 때에는 “안정 피로”(眼精疲勞)를 느끼는 것이다.

안구가 너무 길면 상이 망막의 앞에 생겨 불분명하게 보이고 근시가 된다. 이것은 오목 ‘렌즈’ 안경을 사용하여 보정할 수 있다. 오목 ‘렌즈’는 눈으로 들어오는 광선을 분산시켜 눈의 볼록 ‘렌즈’로 하여금 망막에 적절하게 초점을 맞추도록 도움을 준다.

반면에, 원시는 안구가 너무 작아 상이 망막 뒤에 생기기 때문에 일어난다. 눈에 볼록 ‘렌즈’ 안경을 사용하면 광선을 집중시켜 망막에 적절한 상을 만들게 한다.

망막 뒤에 상이 형성되는 현상은 눈의 ‘렌즈’가 조절하는 능력을 상실하여 근거리 물체에 촛점을 맞추는 데 필요한 심한 만곡을 만들 수 없었을 때에 일어나기도 한다. 일반적으로 중년을 넘은 사람들에게 일어나는 현상을 “노안”이라고 하며, 이러한 약점을 보정하기 위하여 볼록 ‘렌즈’ 안경이 필요하다.

우리의 눈은 아주 조심해서 다루어야 한다. 눈에 티가 들어 갔을 때에 함부로 비비거나 더러운 손가락이나 걸레로 문질러서는 안된다. 다른 사람에게 깨끗한 손수건으로 조심스레 먼지를 닦아내도록 하는 것이 좋고 필요하다면 의사에게 가는 것이 좋을 것이다. 그리고 밤에 독서를 한다면 골고루 조명이 잘된 방에서 독서하는 것이 한 지점에만 불빛이 가는 곳에서 읽는 것보다 눈에 피로가 덜 할 것이다.

다른 동물의 ‘렌즈’

만일 당신이 어떤 곤충들의 ‘렌즈’를 통하여 볼 수 있다면 그것이 순간적으로 날아가거나 날으는 속도를 측정하기 좋게 되어 있음을 알 것이다. 그러한 눈은 각각 다른 상을 만들어 내는 수많은 ‘렌즈’로 되어 있다. 하나의 상이 눈의 한 부분에서 다른 부분으로 이동하는 데 걸리는 시간으로 속도를 알아낸다.

척추 동물은 눈이 한쌍이다. 말과 같은 어떤 동물은 ‘파노라마’와 같이 주위 사방 거의 전부를 볼 수 있다. 사람, 올빼미, 원숭이 등은 눈이 머리 앞 부분에 붙어 있어 두 눈이 보는 부분이 서로 겹친다. 새들의 눈은 대단히 감탄스런 ‘렌즈’로 되어 있어서 망원경적인 효과와 현미경적인 효과를 준다. 이 때문에 그들은 동물 중 어느 것보다 더 예리한 시각을 가지게 된다. 독수리, ‘콘도르’ 및 그 과에 속한 다른 새들은 어마어마한 거리에서도 조그마한 것을 볼 수 있다.

여러 가지 굴절의 법칙들과 광학적 법칙들이 자연계에 적용되어 있는 것을 보고 사람들은 그것을 자기의 편의를 위하여 사용하고 적용할 때에 감탄을 금치 못한다. 사람들은 창조주의 솜씨로부터 배운 다음에 그러한 법칙을 현명하게 사용한다.

[17면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

근시안: 안구가 너무 길어 상이 망막의 앞에 생긴다

근시는 오목 ‘렌즈’를 사용하여 보정한다. 오목 ‘렌즈’는 눈의 ‘렌즈’가 망막에 적절히 초점을 맞추도록 도움을 준다