시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (5) 빛의 뒤에서

시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (5)

 빛의 뒤에서

빛 속의 암호

'코스모스'의 역사와 규모는 빛으로 기록됩니다. 아름다움의 섭리, 별을 이루는 물질, 공간과 시간의 법칙... 이런 것들은 항상 존재했지만 우리는 볼 수 없었습니다. 그런데 우리 눈으로 볼 수 없었던 빛을 볼 수 있는 도구들이 발명됩니다. 그 후 시작된 깨달음의 역사는 끝없이 계속되고 있습니다.

빛은 가시광선 외에도 많은 종류의 빛이 있습니다. 가시광선으로만 자연을 인식하는 건 음악을 한 옥타브로만 듣는 것과 같습니다. 빛은 다양합니다. 파장에 따라서만 달라지지만 범위는 엄청납니다. 예를 들어 적외선이 있습니다. 윌리엄 허셜이 발견한 빛입니다. 엑스선, 라디오파, 감마선도 있습니다. 그저 같은 걸 보는 다양한 수단이 아닙니다. 이런 빛들은 '코스모스'의 다른 물체와 현상을 드러냅니다. 감마선을 통해서는 먼 은하계들에서 일어난 정체 모를 폭발을 볼 수 있고 마이크로파를 통해서는 우주 탄생 시점까지 과거를 돌아볼 수 있습니다. 우리는 이제 막 눈을 떴을 뿐입니다.

 

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적외선의 발견

- 스펙트럼의 붉은색 바깥에 숨어 있던 빛

 

윌리엄 허셜은 당시의 가장 큰 망원경으로 밤에는 하늘을 보고 낮에는 실험을 했습니다. 햇빛이 다양한 색의 혼합물인 건 뉴턴이 밝혀냈고 햇빛이 따뜻하다는 건 누구나 경험으로 알고 있는 사실이었습니다. 허셜은 햇빛의 특정한 색이 열기를 더 많이 지니는지 궁금했습니다. 허셜은 색과 온도의 관계를 알아보는 실험을 했습니다. 따라서 허셜의 통제 표본은 백지에서 햇빛이 전혀 안 비치는 부분에 있는 온도계입니다.

붉은 빛이 푸른빛보다 따뜻하다는 발견은 흥미롭지만 획기적인 발견은 아니었습니다. 하지만, 스펙트럼의 붉은색 바깥 쪽 빛이 없는 곳에 온도가 높다는 사실을 발견합니다. 이로 인해 스펙트럼의 붉은색 바깥에 숨어 있던 빛을 찾아냈습니다. 그래서 그 빛을 '적외선'이라고 하는데 붉은색 바깥에 있는 광선이라는 뜻입니다. 우리 눈은 그런 종류의 빛을 볼 수 없지만 피부는 그 열을 느낍니다. 굉장한 발견이지만 빛은 아직 훨씬 더 큰 비밀을 감추고 있습니다..

 

세상은 우리 눈이 볼 수 있는 것만이 아니다. 그보다 훨씬 더 많고 넓다. 특히 빛은 우리 눈이 감지할 수 있는 부분보다 훨씬 넓은 주파수 대역에 걸쳐 존재한다. (중략) 천문학에서는 이 모두를 다 유용하게 이용한다. 그러나 눈의 한계로 인해 인간은 가시광선이라고 하는 아주 좁은 띠 모양의 무지개를 편애하며 살아간다. 

칼 세이건, 『코스모스』 

프리즘의 원리

- 우리가 보는 색을 결정하는 빛의 파장

요제프 프라운호퍼는 27살 무렵, 뛰어난 광학기기 설계자로서 세계를 선도했습니다. 그는 정밀한 렌즈에 적합한 유리를 찾으려고 프리즘으로 실험을 했습니다. 프리즘이 생성하는 스펙트럼을 더 선명하게 볼 방법을 찾고 싶었습니다.

소리의 파장이 음의 높이를 결정하듯 빛의 파장은 우리가 보는 색을 결정합니다. 그런데 프리즘은 어떻게 햇살 속에 숨은 색들을 펼쳐 보일까요? 빛이 공기 중에서 이동할 때는 모든 색이 같은 속도로 움직입니다. 하지만 빛이 비스듬히 유리에 닿으면 속도를 늦추고 방향을 바꿉니다. 각각의 색은 프리즘 안에서 다른 속도로 움직입니다. 보라색 빛은 가시광선 중 파장이 가장 짧은데 파장이 가장 긴 붉은 빛보다 느려집니다. 그 속도의 변화가 색들을 비틀어 분리하고 각 파동을 조금씩 다른 방향으로 보냅니다. 이것이 프리즘의 원리입니다.

 

스펙트럼에 검은 선들로 기록된 암호

- 태양 대기의 수소 원자들이 드리운 그림자, 스펙트럼 선

프라운호퍼는 스펙트럼에서 빛에 기록된 수직의 검은 선들을 발견합니다. 검은 선들로 기록된 암호는 정체가 뭘까요?

특정한 색의 파장이 흡수될 때 그 검은 선들은 나타납니다. 이것은 우리에게 익숙한 세상보다 훨씬 작은 차원에서 일어나는 현상입니다. 그 차원으로 가려면 우리는 지금보다 백억 배 작아져야 합니다. 수소는 우주의 원자 중 가장 흔하고 가장 단순합니다. 수소 원자는 전자가 하나입니다. 양성자도 하나입니다. 이곳은 양자의 영역입니다. 우리에게는 모든 게 생소한 세계입니다. 이곳에서는 상식이 안 통합니다. 예를 들어, 수소 원자의 전자를 볼까요? 원자 내의 전자는 궤도들 사이에는 존재하지 않습니다. 한 궤도에서 사라졌다가 다른 궤도에 나타납니다. 엘리베이터를 타고 2층에서 4층으로 가지만 그 사이에서는 존재하지 않습니다. 또 한 가지 양자 엘리베이터는 특정 층에만 섭니다. 전자 궤도의 크기는 엄격히 제한돼 있고 모든 원소의 원자마다 다릅니다. 그것이 원소의 차이를 만듭니다. 전자 궤도가 화학적 성질을 결정합니다. 전자를 궤도에 붙드는 힘은 중력과는 상관없습니다. 이건 전기적 인력입니다. 전자는 수소 원자 중심의 핵 주위를 물결 모양으로 춤추듯 돌며 궤도에서 궤도로 옮겨 다닙니다. 궤도가 클수록 전자는 더 큰 에너지를 지닙니다. 더 큰 궤도로 옮기려면 에너지가 필요하고 작은 궤도로 옮기려면 에너지를 잃어야 합니다. 전자가 큰 궤도로 올라가는 건 원자가 광파를 흡수했기 때문입니다. 하지만 작은 궤도로 내려가는 이유는 불분명합니다. 분명한 건, 이런 도약이 광파를 생성한다는 겁니다. 그 광파는 궤도 간 에너지 차와 일치하는 색을 갖게 됩니다.

태양 표면은 모든 색의 광파를 방출합니다. 프리즘을 통해 햇빛을 보면 그 스펙트럼이 나타납니다. 망원경으로 스펙트럼을 확대해 보면 원자 속 전자의 춤을 가리고 있던 막이 걷힙니다. 전자의 에너지가 약해지면 작은 궤도로 옮겨 가고 그때 방출된 광파가 흩어집니다. 그 흩어져 사라진 부분 때문에 스펙트럼에 생기는 간격이 검은 선입니다. 이 검은 선들은 태양 대기의 수소 원자들이 드리운 그림자입니다.

 

 

스펙트럼 선을 통해 밝혀진 ‘코스모스’의 비밀

- '코스모스'가 모두 같은 원소들로 이뤄졌음을 밝혀내

스펙트럼선은 우리가 볼 수 있는 '코스모스'가 모두 같은 원소들로 이뤄졌음을 밝혀냈습니다. 행성, 항성, 은하계, 인간을 포함한 모든 생물이 마찬가지입니다. 모두가 별에서 나온 물질로 이뤄졌습니다. 우리는 프라운호퍼 덕분에 다른 세계의 대기와 수백만 광년 떨어진 은하계가 어떤 물질로 이뤄졌는지 알 수 있습니다. 스펙트럼선은 먼 천체들의 구성 성분뿐 아니라 그들이 다가오는지 멀어지는지도 밝혀냈습니다. 우리는 이를 통해 우주의 팽창을 알았습니다.

하지만 분광학의 가장 큰 업적은 우리가 볼 수 없는 부분에 대한 발견일 겁니다. 암흑물질의 우주입니다. 질량이 우리에게 익숙한 '코스모스'의 6배입니다. 알 수 없는 물질로 이루어져 있는데 어떤 빛도 발산하거나 반사하거나 흡수하지 않는 물질입니다. 우리가 그 존재를 아는 건 그 중력이 모든 은하를 끌어당기며 별들의 이동을 가속화하고 있기 때문입니다.

 

인류가 하나의 생명 종으로서 그 유년기부터 품어 왔던 질문을 가슴에 안고 우주 항해의 첫발을 내디딘 지 이미 오래됐다. 세대를 거듭할 때마다 유년기의 질문은 신선한 감각으로 우리에게 새롭게 다가왔으며, 세대를 거듭하면서 유년기의 호기심이 줄어들기는커녕 오히려 더 커져 갔다. 별들은 도대체 어떤 존재인가?

칼 세이건, 『코스모스』 .

  

* 더 알고 싶은 분을 위한 팁!  

키워드 : 빛

석현정, 최철희, 박용근의 『빛의 공학』 

물리학, 생명 과학, 심리학을 아우르는 KAIST 세 교수의 수업

물리학, 생물학, 색채학으로 빛의 본질을 탐구하다. 

* 본 포스팅은 내셔널지오그래픽 채널의 제공으로 네이버캐스트(오늘의 과학 - 다큐사이언스)와 함께 연재되며, 사이언스북스 블로그에는 일부 내용이 추가되어 있습니다. 

'시간과 공간을 초월한 빅 히스토리, 코스모스 ' 시리즈 보기

(1) 코스모스 (클릭) 

(2) 생명의 강물 (클릭)

(3) 지식이 두려움을 정복할 때 (클릭)

(4) 밤하늘의 유령 (클릭)

글·영상/사진 제공 : 내셔널지오그래픽채널 http://www.ngckorea.com  

[관련 방송] 내셔널지오그래픽채널 “시간과 공간을 초월한 빅 히스토리, 코스모스 5부. 빛의 뒤에서”

2014년 4월 12일 토요일 밤 11시 방송(매주 토요일 밤 11시 방송)

1980년, 전 세계 7억 5천만 명의 시청자를 열광시킨 칼 세이건의 [코스모스]. 2014년, 내셔널지오그래픽채널에서 더욱 화려하게 부활한다. 총 제작비 450억, 총 에피소드 13편, 전 세계 180개국 동시 방송! 과거에도 있었고, 현재에도 있으며, 미래에도 있을 그 모든 것!