[우주/데이터주의] 코스모스(COSMOS) 5부 :: 스펙트럼, 빛

코스모스 5부 : 빛의 뒤에서

 

최근 일이 바빠서 이번 포스팅까지 오랜 시간이 걸렸다.

블로그 관리를 그만둔 것은 아니니 안심하자.

 

앞서 코스모스 4부에 이어서, 5부를 시작하겠다.

 

 

발전

 

 

 

빛은 어디에나 존재해왔고 아주 오래전부터 인류 발전에 큰 영향을 끼쳤다.

이름 모를 누군가는 빛이 부리는 마술을 따라 그리며 최초의 화가를 꿈꿧을 지도 모른다.

 

 

 

 

묵자

 

 

 

기원전 5세기, 중국의 철학가 묵자는 최초로 "빛이 그림을 그리는 방"을 알아냈다.

이는 오늘날의 카메라 원리와 같다.

 

빛의 대가였던 묵자는 모든 종류의 사회적 어둠에 대항했다.

빈곤, 전쟁, 불평등 등등.

 

그리고 이러한 내용은 제자들에 의해 전부 기록되었다.

 

 

 

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묵자가 죽고, 진시황은 모든 것들을 통일했다.

통화부터 도량형 및 길의 너비까지 표준화했으며 심지어 사상까지 제한했다.

 

결국 분서갱유로 인해 수많은 기록들이 사라졌으며,

대항한 사람들은 생매장됐다.

 

 

이렇게 묵자와 제자들이 기록한 호기심의 불꽃은 짓밟혀 꺼지고 말았다.

 

 

 

 

이븐 알-하이삼

 

 

 

꺼진 불꽃이 다시 붙기까지 약 1,000년의 세월이 필요했다.

풀 네임은 아부 알리 알하산 이븐 알하산 이븐 알하이삼.

이슬람의 천문 물리 학자이자 이 역시, 빛의 대가였다.

 

당시 사람들은 "눈에서 나온 빛이 별에 닿았다가 다시 돌아와서 별을 본다."고 생각했다.

하지만 하이삼은 그러기엔 너무 별이 멀다고 느꼈고, 의문을 품기 시작했다.

 

 

 

 

마침 이슬람은 과학 황금기였다.

이슬람 통치자들은 책을 태우기는 커녕 구하기위해 세계 곳곳을 다녔다.

 

이 과정에서 아라비아 숫자도 전파되었다.

또한, 알고리즘, 알케미, 알코올 등등.. 당시 아랍어는 과학의 언어라 할 수 있었다.

그만큼 과학에서의 영향력이 막대했다.

 

 

 

 

그리고 11세기, 알 히이삼은 빛에 대한 자신의 생각을 실험했다.

빛 한줄기만 들여보내고 관찰함으로써 직선으로 운동한다는 사실을 알아냈다.

뿐만 아니라, 눈이나 암상자 속에서 상을 어떻게 형성하는지도 밝혔다.

 

또한, 과학의 규칙을 처음으로 정립한 인물이다.

진리를 찾기 위해서는 스스로의 생각에도 의문을 품어야 하며,

고대 문헌을 그대로 믿지말고 늘 다양한 각도에서 비판적으로 검토할 것을 강조했다.

 

사람은 불완전한 존재이기 때문이다.

 

 

망원경

 

 

 

 

어두운 밤엔 빛을 모을 수 있는 틈을 넓혀야했다.

그리고 발명된 망원경은 모든 방향에서 빛을 모을 수 있었다.

 

1609년, 갈릴레이는 밤하늘을 통해 코스모스를 발견하기 시작했다.

 

 

 

이는 허블 망원경으로 바라본 코스모스다.

많은 이들의 노력이 이룬 성과라 할 수 있다.

 

진리를 찾기위한 연구, 과학적 접근을 통해

인류는 결국 수명이 늘 수 있었고, 편리한 삶과 여러 사실을 알 수 있었다.

 

 

빛은 대체 무엇일까?

 

 

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아이작 뉴턴

 

 

 

뉴턴은 어려서부터 빛에 관심이 많았다.

 

그리고 20대 초반에 무지개의 수수께끼를 최초로 풀어냈다.

 

 

 

백색광이 모든 색의 합임을 알아냈고 빛의 파장에 따른 순을 스펙트럼이라 명명했다.

참고로 스펙트럼이라는 이름은 라틴어로 유령, 환영을 의미한다.

 

사실 빛에는 더욱 많은 특성이 있었지만, 이후 150여년간 누구도 알아내려하지 않았다.

 

 

 

 

윌리엄 허셜

 

 

 

4부에서도 등장했던 윌리엄 허셜.

허셜은 빛의 특정 색이 더 따뜻할지 궁금했고,

일상에서 느낀 호기심을 실험으로 증명했다.

 

이는 천재들의 공통점이다.

우리도 늘 느끼는 따뜻한 햇빛이지만, 왜 따뜻할까에 대한 궁금증을 가졌던 것이다.

 

 

 

 

실험은 간단하다.

빛줄기에 따라 온도계를 두고, 비교할 대상으로 가장 바깐쪽 백지 위에 온도계를 둔다.

 

그리고 그의 실험결과, 붉은빛이 푸른빛보다 따뜻했다.

그런데 아무것도 보이지 않는 가장 바깥쪽 온도계가 가장 높은 온도를 기록했다.

 

보이지 않는 적외선을 발견한 것이다.

가시광선보다 높은 온도를 지녀, 우린 볼 수 없어도 그 온도를 느껴왔다.

 

 

 

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요제프 폰 프라운호퍼

 

 

 

이 무렵, 고아였던 요제프 폰 프라운 호퍼는 낮에는 거울 공장에서 일하고,

밤에는 공장주 집에서 허드렛일을 했다.

 

 

 

 

그러던 어느날, 집이 무너졌고 막시밀리안 왕자가 현장을 방문했다.

당시 막시밀리안 왕자는 백성에게 맘을 쓰던 드문 인물이었다.

 

그리고 요제프 폰 프라운호퍼를 발견하면서 여러 지원을 아끼지 않는다.

 

 

 

 

 

베네딕토 수도원의 광학연구소에서 일하게 된 그는

빛을 보다 선명하게 나눌 수 있는 렌즈를 연구하기 시작했다.

그리고 찾은 것이 프리즘이다.

 

 

 

 

빛은 왜 프리즘을 통해 나뉘어질까?

빛을 비스듬히 유리에 비추면, 속도를 늦추고 방향을 바꾼다.

각각의 빛은 프리즘 안에서 다른 속도로 움직인다.

 

 

 

우주의 암호

 

 

 

그리고, 프라운호퍼는 오늘날의 물리학과 천문학을 결합한 실험을 했다.

빛을 비춘 프리즘을 망원경으로 보았을 때, 수직의 검은선을 발견한다.

 

 

 

 

이는 우주의 암호라 불렸고, 100년에 걸친 조사 끝에 암호가 풀렸다.

우리가 보는 세상은 모두 빛으로 보인다.

 

모든 빛을 흡수하면 검은색, 붉은색을 반사하면 붉게 보인다.

 

 

 

그렇다면 빛이 가진 검은색 선. 이 암호는 무엇일까.

백억배 작아져 검은색 선으로 들어가보자.

 

 

 

 

가장 단순한 수소원자를 보면, 핵 주변을 전자가 돈다.

하지만 전자의 궤도는 이어진 궤도가 아니라,

마치 엘레베이터 2층에서 4층을 한번에 가는 것처럼 공백이 존재한다.

또한, 전자는 궤도에서 또 다른 궤도로 이동한다.

 

 

 

 

 

즉, 더 큰 궤도로 이동하려면 많은 광파를 갖고 있어야 가능하다.

반대로 작은 궤도에선 에너지를 방출해야 한다.

 

 

 

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이때, 흩어져 사라지는 광파사이에 발생하는 간격이 검은선이다.

이는 태양이 보내는 수소 원자의 그림자라고 할 수 있다.

 

 

 

 

 

조금 더 복잡한 구조의 나트륨 원자는 또 다른 그림자를 드리운다.

 

 

 

 

 

이러한 원리로 분광기를 통해 항성을 보면,

무수히 많은 스펙트럼을 통해 구성 성분을 알 수 있다.

 

 

 

 

 

스펙트럼 선은 우리가 볼 수 있는 코스모스가

모두 같은 원소로 이뤄졌음을 밝혀냈다.

 

 

 

 

 

즉, 행성, 항성, 은하계, 인간을 포함한 모든 생물까지도

모두가 별에서 나온 물질로 이뤄졌음을 알 수 있었다.

 

 

 

 

 

 

 

 

각 항성과 은하의 스펙트럼을 수집하고,

관찰을 통해 멀어짐도 확인하며 우주의 팽창을 알아냈다.

 

 

 

마치며

 

 

 

 

적외선, X선, 라디오파, 감마선, 마이크로파 등으로 본 같은 일상이다.

이처럼 눈으로만 보이는 것이 전부가 아니다.

 

 

끝.

 

 

참고자료

 

위키 / 코스모스 5부