빛은 입자일까, 파동일까

빛은 균일한 매질에서는 직선으로 진행한다. 수면에 우리 모습이 비치는 이유를 설명해 주는 반사의 법칙이 그렇다. 기원전 280년경에 그리스 수학자 유클리드는 '광학optics'라는 책에서 빛에 관계된 기하학적 법칙을 이야기했다. 플라톤, 아리스토텔레스, 유클리드가 생각하기에 빛은 시각의 도구에 지나지 않는 것으로 생명체가 가진 감각에 가까웠다.  우리 눈에 빛이 나와 물체에 비추면 우리가 그 물체를 보게 된다고 생각했다. 광학과 빛의 성질에 대한 이해는 르네상스에 들어서야 발전되기 시작했다. 동양에서 알하이삼은 1000년경에 ‘광학의 서’를 펴냈다.  동양의 책들은 일단 라틴어로 변역된 다음 서양학자들에 의해 연구되어 서양학자들을 위해 후대에 전해졌기 때문에 글들은 잘 알려져 있지 않다.

 

태양은 지평선에 가까워지면 하늘 높이 떠 있을 때보다 크기가 훨씬 더 커진다.  그 현상은 천체가 지평선에 가까이 있으면,  우리의 뇌가 그것을 나무나 산 같은 다른 사물과 비교할 수 있기 때문에 생기는 착시현상에 지나지 않는다. 이것이 착시라고 말한 사람이 알하이심이다. 빛은 태양과 같은 광원에서부터 나와서 물빛에 부딪혀 흩어진다는 것이 그의 설명이었다. 특히 그는 눈이 사물의 색과 모양을 식별하는 방식에 관심이 많았다. 사람 눈은 두개의 이미지를 포착한 다음 그것을 하나로 합쳐 인식한다는 것을 증명했다. 사람은 자신이 이미 알고 있는 사물만 식별할 수 있고 눈으로 본 것은 눈을 감아도 그 이미지가 눈에 남는다는 점도 지적했다.

 

기억 또한 사물의 식별에 관여하며 사물을 알아보는 일은 단지 판단 문제가 아니라는 것을 이야기 했다. 알하이삼은 암상자라고 불리는 카메라 옵스큐라의 개념도 생각했는데,  레오나르도 다빈치가 바늘 구멍 사진기를 생각한 것보다 500년이나 앞선 일이었다. 알하이심은 빛의 속도가 무한히 빠르지 않으며, 밀도가 높은 매질 속에서는 느려진다고 생각햇다.  운동중인 물체는 외부에서 힘이 가해지지 않는 한 운동을 멈추지 않는다는 사실도 이야기 했다. 그리고 질량 사이에 인력이 작용한다는 방식에 대해서도 이야기 했다.

 

데카르트 주요 철학은 인간이 이성에 의해서만 지식에 접근할 수 있다는 생각에 근거하고 있다. 데카르트에 따르면 이성은 지성과 성찰, 추론은 물론이고 기억과 감각, 관찰로 이루어진 것이기 때문이다. 데카르트는 합리론과  ‘나는 생각한다, 고로 나는 존재한다’라는 말로도 유명하다.  이 문구는 고대로 부터 알려진 것이지만 데카르트가 의심을 자신의 생각을 증명하기 위한 가장 중요한 근거로 삼으면서 그 내용을 보완했다. ‘나는 의심한다.고로 나는 존재한다.’라는 의미인 것이다. 

 

뉴턴은 모든 물리법칙은 그것이 광학에 관계된 것이든 역학, 천문학, 심지어 연금술에 관계된 것이든 모두 자연의 법칙이며,  따라서 실제 세계라는 일정한 틀 안에서 적용된다고 보았다. 그리고 실재 세계에 대해서 공간은 절대적, 고정적이고 시간은 절대적, 연속적이라고 설명했다.  네덜란드 수학자이자 천문학자, 물리학자인 크리스티안 하위헌스는 빛이 직선으로 이동하는 알갱이로 이루어진 것이 아니라, 에테르라는 매질속에서 물결처럼 전파되는 파동으로 이루어져 있다고 가정했다. 그 근거는 빛의 ‘회절’현상이었다. 이탈리아의 프란체스코 마리아 그리말디는 이러한 빛의 작용을 설명할 수 없으며 새로운 이론, 모형이 필요하다는 결론을 내렸다. 강물이 흘러가다가 바위를 만났을 때 물결이 일면서 물이 바위 뒤로 돌아서 들어가는 것이 바로 회절현상이다. 실제로 간섭과 회절은 빛을 파동으로 보지 않으면 설명할 수 없는 현상이다.  1873년에 맥스웰은 전자기 방정식과 함께 빛에 대한 새로운 정의를 내놓았고, 전통적으로 빛의 입자설에 따라서 설명되던 기하학적 광학이 파동설로 설명될 수 있음을 증명했다.  뉴턴은 백색광이 무지개 색깔이 모두 들어있음을 증명했다. 그전까지 사람들은 백색광이 색을 가진 입자를 만나 색을 띠게 된다고 생각했는데 뉴턴이 프리즘을 이용해서 백생광을 분해했다가 다시 합침으로써 백색광이 사실 갖가지 색의 빛으로 이루어져 있음을 보여준 것이다.