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「Light or visible light is electromagnetic radiation that can be perceived by the human eyes.」 (CIE(International Commission on Illumination, 1987)
빛(light): 전자기파의 일종으로, 광학에서 다루는 빛은 인간의 눈이 감지할 수 있는 가시광선 영역의 전자기파를 의미한다. 광원에서 관측자에게로 에너지의 전달이 이루어 진다.
- 식물은 태양빛에 의해 전달된 에너지를 광합성(photosynthesis)[그림 1]을 통해 화학에너지로 전환한다.
- 빛의 형태로 우리는 정보를 송수신한다.
광학(optics): 빛의 특성을 연구하는 학문으로 현재는 세부분야로 기하광학, 파동광학, 양자광학, 광유전학 등으로 세분화 되어 있다.
일상에는 빛과 관련해 일어나는 많은 물리 현상들이 존재하는데, 빛의 성질로 내용을 정리할 수 있다.
- 빛의 직진성: 빛은 모든 방향으로 퍼져나가며 그 방향은 직진성을 띤다. 특정한 빛의 선을 광선(light ray)이라 한다.
- 빛의 파동성: 빛은 서로 다른 매질의 경계면에서 직진성과는 모순되는 현상을 갖는데, (1)산란, (2)간섭, (3)회절, (4)편광을 들 수 있다.
- 산란: 하늘이 푸른 것은 공기 분자에 의한 빛의 '산란' 결과이다.
- 간섭: 빛을 파동함수로 표현했을 때, 빛끼리는 서로 간섭 현상[그림 2]이 일어남을 확인할 수 있는데, 빛의 진폭은 빛의 종류와 위상에 따라 (1)보강간섭 또는 (2)상쇄간섭의 결과로 나타난다. 일상 생활에서는 콤팩트디스크의 간섭현상 무늬[그림 3]를 통해 이 현상을 관찰할 수 있다.
- 편광: 빛의 편관현상은 빛이 물질과 상호작용을 하면서 횡적 진동 방향이 제한될 때 관찰 가능하다. (1)흡수, (2)산란, (3)반사, (4)굴절, (5)투과로 상호작용을 정리할 수 있다.
- 반사: 진행하는 빛, 전자기파의 파동이 그 파동의 파장보다 큰 장애물에 부딪힐 경우, 빛이 '반사'된다. 운전을 하면서 자동차의 반사거울로 후면의 자동차의 상(image)을 본다.
- 굴절: 진행하는 빛, 전자기파가 서로 다른 매질을 만났을 때, 빛은 '굴절'하면서 매질 경계면에서 속도가 변하고 진로가 바뀐다. 안경이나 콘택트렌즈는 물체를 더욱 선명하게 보기위해 상 정보를 굴절시키는 도구이다.
빛이란 무엇인가
What is the Light?
19세기 이전까지 빛은 광원으로부터 방출된 입자의 흐름이며, 눈으로 들어온 입자가 시신경을 자극해 우리가 '볼 수 있다'고 생각했다.
- 기원전 5세기 경, 고대 그리스의 철학자 엠페도클레스(Empedocles, c. 494 BC - c. 434 BC)는 그리스의 신 아프로디테가 네 가지 원소(불, 공기, 대지, 물)를 조합하여, 인간의 눈을 만들었고, 그녀가 인간의 눈 안에 불을 붙여 그 눈에서 빛이 나와 '시력'을 형성했다고 주장함
- 기원전 300년 경, 유클리드는 저서 광학(『Optica』)에서 (1)빛은 직진 운동을 하며, (2)굴절과 반사 각에 대해 기하학적으로 분석하였다.
- 중세 아랍 제국의 철학자 이븐 알하이삼(Ibn al-Haytham, c. 965 - c. 1040)은 빛의 굴절과 반사 현상을 관찰한 뒤 저서 광학(『كتاب المناظر』, 1021)에서 빛을 '입자적 관점'에서 최초로 바라봄
- 프랑스의 물리학자이자 철학자였던 피에르 가상디(Pierre Gassendi, 1592-1655)는 '비물질적 입자론자'의 관점에서 빛을 '물질로 부터 사방으로 방출되는 비물질 입자'로 간주했다. 여기서 비물질 입자는 원어로 코퓨슬(corpuscle)이라고 하나 의미적으로는 근대입자로도 불릴 수 있다. 근대입자란, 물질로서 세계에 존재는 할 수 없으나, 물질의 가장 미립자인 원자(atom)처럼 거동을 하며 물질 세계에 영향을 주는 것이 특징이다.
- 뉴턴은 여러가지 광학 연구를 종합하여, 빛의 반사와 굴절을 빛의 '입자론'에 근거해 설명했다.
그러나 네덜란드의 물리학자이자 천문학자인 하위헌스(Christian Huygens, 1629~1695)는 1678년 빛의 반사와 굴절을 '빛의 파동론'으로도 설명할 수 있음을 보였다.
빛의 파동론
하위헌스를 시작으로 빛의 파동성을 연구하는 학자들이 생겨났는데, 두드러진 업적으로 다음 사례들이 있다.
- 이탈리아의 천문학자인 그리말디(Francesco Maria Grimaldi, 1618~1663)가 최초로 빛을 파동으로 가정하여 빛의 회절, 간섭, 그리고 분산현상을 연구(1660년경)했다.
- 1801, 영국의 물리학자 영(Thomas Young, 1773~1829)이 빛의 간섭효과를 실험적으로 보였다. ⇒ 단일한 광원에서 방출된 두 빛이 서로 다른 경로를 다라 전파된 후, 다음 한 점에 도달하여 중첩되어 어두워지는 상쇄간섭[그림 4]을 일으킬 수 있다.
Young의 실험 결과는 빛의 입자모형으로는 설명할 수 없다.
- 1873, 맥스웰이 전자기파의 한 형태로 빛을 수학적으로 예견했다. ⇒ 이후 독일의 물리학자이자 전기공학자인 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857~1894)가 전자기파를 발생(1887)시키고 검지함으로써 Maxwell의 이론을 실험적으로 확인했다.
헤르츠 이후 여러 과학자들은 전자기파의 반사, 굴절 및 파동적 특성을 실험함으로써 빛의 파동성을 보강했다.
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