보이지 않는 것을 보여 주는 광학

멋진 풍경, 찬란한 일몰 광경, 예쁜 꽃—모두가 보기에 즐거운 아름다운 광경들이다. 우리는 보는 일에 무엇이 관련되는지를 거의 생각하지 않지만, 볼 수 있다는 것은 확실히 기쁜 일이다.

눈이 놀랍긴 하지만, 우리가 육안으로 볼 수 있는 것은 보이는 세계의 일부분에 불과하다. 빛을 연구하는 학문인 이른바 광학(光學)은 광학 기구—간단한 확대경에서 망원경, 현미경, 특수 카메라, 분광기 등에 이르기까지—를 사용함으로써 우리 자신과 주위 세계에 대한 지식을 크게 증가시켜 왔다.

독자는 이 광학 기구 중 얼마를 잘 알고 있을지 모르지만, 그것들이 어떻게 작동하는지도 잘 알고 있는가? 예를 들어, 확대경으로는 왜 확대되어 보이는가? 한 기구로는 미생물의 세계를 볼 수 있고 또 다른 기구로는 광대한 우주를 살필 수 있게 해주는 것은 무엇인가? 광학은 오랫동안 흥미를 자아내는 연구 분야였다.

기본 요소

손 확대경으로 종이 위에 햇빛의 초점을 맞춤으로써 종이를 태워 구멍을 내본 경험이 있는가? 그때 사용한 것이 바로 가장 간단한 형태의 광학 기구 곧 렌즈다. 사실상 종이 위의 그 작은 점은 손에 들고 있었던 간단한 렌즈로 인해 생긴 태양의 상이었다. 그 햇빛에 들어 있는 모든 에너지가 하나의 작은 점으로 모아짐으로써 햇빛이 종이를 태울 만큼 뜨거웠던 것이다.

많은 사람들이 잘 알고 있는 다른 렌즈는 카메라 앞부분의 렌즈다. 사진을 찍을 때 렌즈가 피사체(被寫體)에서 나온 빛을 초점으로 모아 필름에 상이 생기게 한다는 것을 독자는 알고 있을 것이다. 기본적으로, 그것이 렌즈가 하는 일이다. 렌즈는 빛을 모아서 보거나 기록하기에 알맞은 크기와 강도로 상을 만든다. 그러면 렌즈는 어떻게 빛을 꺾어 함께 모이게, 즉 초점이 잡히게 하는가? 그 해답은 굴절이라고 하는 광학 현상에 있다.

막대기를 물 속에 담글 때, 그것이 어떻게 보이는가? 그 막대기가 물에 잠긴 경계 지점에서 구부러진 것처럼 보이지 않는가? 흔하면서도 기묘한 이 일은 빛이 한 매질에서 다른 매질로, 예를 들어 물에서 공기로 통과할 때 직진하지 않음을 예시한다. 빛은 경계면을 수직으로 입사할 때를 빼놓고는 구부러진다. 이것을 과학자들은 굴절이라고 부른다. 빛의 굴절 정도는 매질—공기, 물, 기름, 유리 등등—과 입사각, 즉 광선과 입사점에서의 수직선 사이의 각도에 달려 있다.

카메라의 렌즈를 다시 살펴보자. 렌즈 면이 평평하지 않고 구면(球面)처럼 볼록하게 곡면을 이루고 있음을 보게 될 것이다. 이제 한 줄기의 빛이 먼 곳에서 렌즈에 도달한다고 생각해 보자. 중심에서는 그 빛이 렌즈 표면과 수직이 되므로, 굴절되지 않고 직진하게 된다. 입사각은 렌즈 가장자리로 갈수록 점차 더 커진다. 이것은 빛이 중심에서 더 멀리 떨어진 곳에서 입사할수록 렌즈에 의한 굴절 역시 더 크다는 것을 의미한다. 이 때문에 알맞은 모양으로 만든 렌즈의 한쪽 동일점에서 나오는 모든 빛은 다른 쪽에 함께 모아져, 즉 초점이 잡혀 상이 생긴다.

광학 체계의 설계

하지만, 다른 색 혹은 파장을 지닌 빛은 다른 각도로 굴절하므로 문제는 복잡해진다. 이런 이유로 프리즘은 햇빛을 여러 색으로 분산시켜 무지개를 만든다. 이런 일이 간단한 렌즈에서도 똑같이 일어나는데, 상의 언저리가 보통 색조를 띠며, 이런 식으로 일그러진다.

이 문제는 주의 깊은 설계로 극복될 수 있다. 예를 들면, 과학자들은 렌즈에 쓰이는 유리의 화학 조성에 따라 그 굴절이 달라짐을 알고 있다. 다른 종류의 유리로 곡률(曲率)이 다른 렌즈 체계를 창작함으로써, 설계자는 수차(收差)와 일그러짐을 최소한으로 줄일 수 있다.

하지만, 그같은 체계를 설계하는 일은 간단하지가 않다. 설계도 하나를 제작하기 위해 많은 사람이 수주나 수개월 동안 힘든 계산을 하곤 한다. 오늘날은, 광선 각도의 모든 가능한 변이, 렌즈 사이의 거리, 각 렌즈의 곡률 및 기타 수많은 요인을 계산하는 데 컴퓨터가 사용된다. 컴퓨터는 최고로 정확한 체계가 나오게 하는 조합을 선택하도록 프로그램되어 있다.

좋은 카메라 렌즈에는 네 개에서 일곱 개 혹은 그 이상 되는 개개 구성 요소들이 있으며 그 표면들은 1만분의 1밀리미터의 정확성을 갖는다. 각 요소는 나머지 것들과 정밀한 관계를 가지도록 배치되어야 한다. 가능한 한 많은 빛을 포착하기 위해, 각 요소의 직경은 실용적인 한 커야 한다. 이 모든 일을 하는 데는 비용이 많이 들며, 따라서 정밀한 카메라가 왜 그렇게 비싼지를 이해할 수 있다. 예를 들어, 우주 왕복선에서 사용되는 카메라 중 하나는 240킬로미터 이상 되는 상공으로부터 지상에 있는, 너비 10미터의 세부점까지 찍을 수 있다. 이 카메라에는 여덟 개의 구성 요소로 된 렌즈가 있고, 그 가격은 900만 달러나 된다!

보이지 않는 세계를 봄

광대하고 외경감을 불러일으키는 우주를 관측할 수 있게 하는 망원경에 쓰일 광학 체계를 설계하고, 제작하고, 시험하는 데 무엇이 관련되는지 상상해 보자. 멀리 떨어진 별들은 매우 희미하기 때문에 육안으로는 그 대부분을 볼 수 없다. 망원경은 이런 먼 별들에서 오는 빛을 가능한 한 많이 모아, 하나의 공통되는 점에 초점을 맞추어 눈으로 볼 수 있는 상을 만든다.

대다수의 광학 망원경에는 희미한 광선을 모으기 위해 오목 반사경이 사용된다. 예를 들어, 팔로마 산에 설치된 유명한 헤일 망원경에는 직경 5미터의 반사경이 부착되어 수십억 광년이나 떨어진 곳도 볼 수 있게 해준다. 놀랄 만한 것이긴 하지만, 이제 헤일 망원경은 하와이의 마우나케아 산꼭대기에 설치된 망원경으로 인해 그 성가가 퇴색되었다. 이 망원경에는 직경이 10미터 되는 반사경이 부착되어 있어, 빛을 모으는 성능이 팔로마 산 망원경의 네 배나 된다. 사실상 그것은 매우 강력해서 “달만큼 먼 곳에서 오는, 단 한 개의 양초 불빛도 볼 수 있게 해준다”고, 그 기획을 지원하기 위해 7000만 달러를 기부한 재단 이사장, 하워드 켁 씨는 말한다.

한동안, 천문학자들은 다른 종류의 망원경, 즉 16억 달러 상당의 허블 우주 망원경에 주목해 왔었다. 이 망원경은 우주 왕복선에 의해 발사되어 500킬로미터 상공의 궤도를 따라 지구를 선회한다. 지구 대기의 방해가 없어 매우 잘 보이기 때문에, 이론적으로, 그 해상력(解像力)은 “4000킬로미터 거리에서 자동차의 좌우 전조등을 구별할 수 있을 정도”라고 「창공과 망원경」(Sky & Telescope)지는 말한다. 이 정도의 해상력에 달하기 위해 거기에 부착되는, 직경 2.4미터의 그다지 크지 않은 반사경 표면은 50만분의 1밀리미터 이내로 정밀해야 했다. 하지만, 매우 애석하게도, 허블 망원경이 우주 공간에서 처음 전송한 상은 흐릿했는데, 분명히 제조상의 결함 때문이었다. “모래 알갱이 크기의 합성 필름 파편 하나가 그 망원경의 1차 반사경을 제작하는 동안 계측 장치의 작동을 멈추게 하였다. 따라서 반사경 표면이 너무 평평하게 깎였다”고 「뉴 사이언티스트」지에 실린 한 기사는 말한다. 분명히, 최고 첨단 기술에도 취약한 부분이 있다!

망원경으로 멀리 보는 일에서, 현미경으로 가까이 보는 일로 우리의 주의를 돌릴 수 있다. 초기의 현미경은 확대경이나 다름없었다. 17세기경, 복합 현미경이 쓰이게 되었는데, 그 현미경의 한 렌즈로 만들어진 상이 다른 렌즈에 의해 더욱 확대되었다. 첫째 렌즈는 관찰할 물체를 향해 있으므로 보통 대물 렌즈라고 부르며, 둘째 렌즈는 접안 렌즈라고 부른다.

현미경이 제 기능을 발휘하려면, 미세한 물체로부터 오는 광선을 가능한 한 많이 모을 수 있어야 한다. 그러기 위해서, 대물 렌즈의 모양은 반구(半球) 같기도 하고, 버섯의 갓 같기도 하다. 직경은 단지 1밀리미터 혹은 그 이하에 지나지 않지만, 면은 1000분의 1밀리미터 정도로 정밀해야 한다.

흥미롭게도, 조그만 물체를 보는 능력은 기구보다는 물체를 조명하는 데 쓰이는 빛에 더 많이 달려 있다. 관찰할 물체가 작으면 작을수록, 조명하는 빛의 파장은 더욱더 짧아야 한다. 광학 현미경은 가시(可視) 광선을 사용하며, 이것으로는 너비가 1만분의 1밀리미터 이상의 물체밖에 볼 수 없다. 초기 현미경 덕택에 과학자들은 식물이 수없이 많은 세포들로 구성되어 있음을 발견하게 되었다. 새로운 사실이 밝혀진 것이다. 오늘날에는, 생물학도들이 실습실에 있는 현미경으로 세균과 혈구의 영역을 자세히 들여다 볼 수 있다.

더욱더 작은 물체를 보기 위하여, 우리에겐 전자 현미경이 있다. 그 이름이 암시하듯이, 가시 광선 대신, 고(高) 에너지 전자의 빔이 불과 100만분의 1밀리미터밖에 안 되는 작은 물체로 유도된다. 이로 인해 바이러스와 큰 분자까지 볼 수 있다.

원자나 원자핵의 구조에 관하여는 어떤가? 이것들을 보기 위해, 과학자들은 원자를 “분쇄”한 다음 컴퓨터를 사용해서 그 결과에 따른 상을 재구성한다. 따라서 어떤 의미에서는, 가장 크고 가장 강력한 “현미경”이란 입자 가속기—사이클로트론, 싱크로트론 등등—이며, 어떤 것의 길이는 수 킬로미터나 된다. 이 기구들로 인해 과학자들은 우주를 함께 결속시키는 힘의 비밀을 얼핏 볼 수 있게 되었다.

놀라운 시력

이런 복잡한 기구와 비교해 볼 때, 인간의 눈은 정말로 유치한 것으로 여겨질지 모른다. 아마 단순할지는 몰라도, 결코 유치하지 않다! 눈은 빛의 색이 서로 달라도 아무 문제가 없다. 자동 초점 장치는 신속하고 효율적이다. 삼차원으로 볼 수 있다. 빛의 무수히 많은 색조와 짙고 연한 정도를 감지할 수 있다. 10분의 1초마다 새로운 상을 만들고 저장할 수 있다. 일일이 열거하자면 한이 없다. 인간의 눈은 참으로 놀라운 걸작품이다!

우리가—광학 기구를 사용하든 않든—볼 수 있다는 것은 참으로 감사할 일이다! 크고 작은, 보이고 보이지 않는 사물에 대한 증가된 지식은 실제적인 유익을 많이 가져다 주었다. 그러나 무엇보다도, 시력이라는 놀라운 선물은 광학을 통해 배우게 된 것과 더불어, 우리가 이 모든 것을 마련하신 분 곧 창조주이신 여호와 하나님의 지혜와 사랑을 아는 데 도움이 된다.—시 148; 잠언 20:12.

[23면 삽화]

1300광년 떨어져 있는, 장관을 이루는 오리온 성운

[자료 제공]

NASA photo

삽입 사진: 미국 애리조나 주, 킷피크 국립 천문대에 설치된 망원경 중 하나

[24면 삽화]

위: 전자 현미경으로 확대된, 나방 날개의 한 비늘의 부착점

왼쪽 아래: 4만 배 확대로 볼 수 있는 한층 더 세밀한 모습은 모든 생물의 구조에 나타나 있는 정교한 설계를 예시한다

[자료 제공]

위 및 아래 왼쪽: Outdoor Pictures

오른쪽 아래: 후크의 초기 복합 현미경, 1665년 로버트 후크 저 “마이크로그라피아”에서

[자료 제공]

Historical Pictures Service