구름의 색은 여러가지 청명한 날의 새하얀 구름, 흐린 하늘의 회색 구름, 금방이라도 큰 비가 내릴 것 같은 새까만 구름, 이른 아침의 새벽노을이나 저녁노을의 주황색 구름 등 하늘에 떠다니는 구름을 보고 있으면, 구름은 색의 변화가 상당히 풍부하다는 것을 알 수 있습니다. 구름의 정체는 무엇인가? 하늘에 떠있는 구름의 정체는 미세한 물방울과 얼음 입자입니다. 이 물방울과 얼음 알갱이는 원래 지상의 강과 바다 등에서 증발한 물 입니다. 공기는 온도가 높을수록 수증기를 많이 포함할 수 있습니다. 따뜻한 공기는 가볍기 때문에 상공으로 올라갑니다만, 올라갈수록 기압이 낮아지기 때문에 팽창합니다. 이 때 공기는 외부에 열을 빼앗기지 않는 상태로 팽창합니다. 공기 자체가 가진 열이 팽창에 사용되기 때문에 공기의 ..
렌즈 2개를 조합하여 보는 실험은 매우 간단합니다. 때문에 2개의 렌즈를 이용하여 사물을 확대해 볼 수 있다는 것을 최초로 발견한 사람이 누구인지는 잘 알지 못합니다. 13세기 영국의 철학자이자 자연과학자였던 로저 베이컨의 저서 '대저작 '(Opus Majus)에는 렌즈 2개를 사용하여 먼 것을 가까이 보는 것과 작은 것을 크게 보는 것에 대한 내용이 기록되어 있습니다. 1608년에는 네덜란드의 안경 기술자였던 한스 리퍼세이가 볼록 렌즈(대물 렌즈)와 오목 렌즈(접안 렌즈)를 관에 끼운 망원경을 만들어 네덜란드 정부에 특허를 신청했습니다. 마찬가지로 네덜란드의 기술자였던 야코프 메티우스도 리퍼세이보다 약간 늦게 같은 구조의 망원경으로 특허를 신청했습니다. 2명의 특허는 신청이 거의 동시였던 것이기도 했지..
물체의 색 우리가 주변에서 찾을 수 있는 많은 물체들은 색을 가지고 있습니다. 이러한 물체의 색은 태양이나 전등 등의 광원으로부터 물체에 도착한 빛 중 물체가 흡수하지 않고 반사한 빛의 색으로 결정됩니다. 이와 같이 물체가 특정 색의 빛을 흡수, 또는 반사하면 우리가 그 색을 볼 수 있습니다. 그런데 하늘에 걸리는 무지개나 비누 거품의 막, CD나 DVD의 은색 면은 보통 물체와 달리 빛의 흡수와 반사로 색이 보이는 것은 아닙니다. 어떤 구조로 색이 생기는지 생각해 봅시다. 무지개의 색 1666년 영국의 아이작 뉴턴은 무색의 태양광을 프리즘에 통과시키면, 태양광이 분해되어 빨강에서 보라색까지 연속적으로 변화하는 빛의 색 띠가 나타나는 현상을 실험으로 나타냈습니다. 이러한 현상을 빛의 분산이라고 합니다. ..
여러가지 색깔의 꽃 빨강, 노랑, 녹색, 파랑, 보라색, 흰색 등 꽃에는 실제로 다양한 색상이 있습니다. 뭉뚱그려서 꽃의 색이라고 부르는데, 꽃잎의 색이나 꽃받침의 색이기도 합니다만, 꽃의 색은 그 기관의 세포에 포함되는 색소에 따라서 다릅니다. 같은 종류의 꽃이지만 튤립처럼 여러 가지 색의 꽃을 피울 수 있는 것도 있습니다. 우리가 보는 꽃의 색은 태양이나 전등의 빛이 꽃에 닿을 때 색소에 흡수되지 않고 꽃 표면에서 반사되는 가시 광선의 색으로 결정됩니다. 그런데 하얀 꽃에는 색소가 거의 없습니다. 대신 꽃의 세포와 세포 사이에는 거품이 많이 있습니다. 빛을 흡수하는 색소가 거의 없고, 기포가 빛을 난반사시키기 때문에 백색이 되는 것 입니다. 그러나 인간의 눈에는 백색으로 보이더라도 곤충의 눈으로는 인..
이 우주는 약 137억년 전에 탄생한 것으로 여겨집니다. 막 태어난 우주는 초고온이자 초고밀도의 극히 작은 공간이었지만, 곧바로 팽창을 시작했습니다. 이러한 우주의 초기 상태를 빅뱅이라고 합니다. 초기 우주에서는 물리법칙도 현재 우리가 아는 것과는 다르다고 여겨진다. 우주가 탄생하자 광자를 포함한 소립자가 태어났습니다. 그리고 쿼크라고 불리는 소입자가 모여 양자나 중성자가 생겼습니다. 이 양성자와 중성자가 모여 수소와 헬륨의 원자핵이 생겼습니다. 우주 공간은 매우 고온이었고 대량의 전자가 우주 공간을 자유롭게 날아 다녔습니다. 광자는 전자에 강하게 산란되어 우주 공간을 똑바로 진행할 수없는 상태였습니다. 다른 말로 하면 광자가 우주 공간을 투과할 수 없는 상태, 즉 우주는 불투명했던 것 입니다. 이 때의..
스스로 불로 날아들어가는 날벌레 한국을 포함하여 일본, 중국, 시베리아, 유럽과 북아메리카 등 북반구 지역에 걸쳐 세계 여러나라에 서식하는 불나방이라는 나방이 있습니다. 영어로는 Tiger Moth라고 하고, 일본에서는 火取蛾(히토리가)라고 부릅니다. 불나방은 야행성 곤충인데, 밤이 되면 가로등이나 전등 주위를 빙빙 돌면서 날아다니는 모습을 자주 볼 수 있습니다. 전등이 없었던 옛날에는 횃불이나 호롱불 등의 주변을 날아다녔을 것 입니다. 이러한 습성은 다른 야행성 곤충에서도 자주 볼 수 있지만, 이 나방이 잘 보였기 때문에 불을 취하는 나방이라는 뜻으로 히토리가라고 불렀을 것 입니다. 일본에는 '불에 날아들어가는 여름 벌레'라고 하여 스스로 위험속으로 들어가는 모습을 묘사한 속담이 있는데, 이러한 옛날 ..
큰 축제나 행사, 스포츠 경기 등이 있을때 대형 폭죽을 쏘아올려 하늘에 아름다운 모양을 수 놓아 한폭의 그림처럼 보여줍니다. 요즘은 드론을 이용하여 멋진 광경을 나타내기도 합니다만, 이러한 폭죽들의 형형색색한 모습은 어떤 원리로 나타나는 걸까요? 폭죽의 발명 폭죽의 기원은 흑색 화약을 발명한 중국입니다. 중국에서는 예로부터 산화제인 질산칼륨(KNO3)을 주성분으로 하는 질석이 산출되었습니다. 9세기 무렵에는 이미 질석에 목탄과 유황이 첨가된 흑색 화약이 발명되어 화기가 만들어졌습니다. 또, 축제 등으로 흑색 화약을 사용한 폭죽이나, 화약이 불에 타들어가는 것을 보며 원시적인 형태로 불꽃을 즐겼습니다. 이러한 흑색 화약은 시간이 흐르면서 세계 여러나라로 전파 되었는데, 일본에서는 전국시대 때 대나무 통에 ..
1967년 러시아의 물리학자 빅토르 베셀라고는 음의 굴절률을 가진 물질이 존재할 수 있는 것이 아닐까 생각했습니다. 보통의 물질은 양의 굴절률을 가지므로 빛을 그림의 ①과 같이 굴절시킵니다만, 음의 굴절률을 가지는 물질은 빛을 ②와 같이 굴절시킵니다. 만약 이러한 물질이 실제한다면 광학의 상식을 넘어 빛을 자유롭게 조종할 수 있게 됩니다. 그러나 그러한 물질은 발견되지 않았습니다. 그렇지만 최근에는 물질을 nm(나노미터, 10＾-9m) 스케일로 취급하는 기술인 나노기술이 발전해, 메타 마테리얼이라고 하는 음의 굴절률을 가지는 인공 물질이 개발되었습니다. 메타 마테리얼은 식염의 덩어리나 철의 덩어리와 같은 물질이 아니라 아래 그림과 같이 미세한 구조 단위를 반복 배열시킨 인공적인 구조물입니다. 그러나 빛에..
밤하늘에 빛나는 많은 별들을 잘 살펴보면 여러 가지 색을 하고 있다는 것을 깨닫게 됩니다. 행성은 태양과 같은 항성의 빛을 반사하여 빛납니다. 그러므로 행성의 색은 행성을 비추는 항성의 빛과 행성의 대기와 표면에 존재하는 물질의 성분에 의해 결정됩니다. 예를 들어 지구가 푸른색인 것은 지구의 대기와 바다가 푸른 빛을 많이 반사하기 때문입니다. 화성이 붉은 색인 것은 화성 표면에 녹슨철(산화철)성분이 많이 존재하여 붉은 빛을 많이 반사하고 있기 때문입니다. 금성은 대기가 태양광을 거의 그대로 반사하기 때문에 밝게 빛나는 노란색으로 보입니다. 항성은 스스로 빛을 내고 있습니다. 그러므로 항성의 색은 그 별이 내는 빛의 색으로 결정됩니다. 다만, 어느 항성도 주성분은 수소와 헬륨이기 때문에 항성의 색의 차이는..
화창한 날 낮에 머리위를 올려다보면 푸른 하늘이 펼쳐집니다. 공기는 무색 투명한데 맑은 날의 하늘이 푸른색으로 보이는 것은 어째서 일까요? 레일리(Rayleigh) 산란과 미(Mie) 산란 빛이 입자에 닿을 때 빛은 입자에서 산란합니다. 입자의 크기가 빛의 파장보다 작아지면, 파장이 짧은 청색광이 파장이 긴 적색광보다 강하게 산란하게 됩니다. 이 현상은 입자의 크기가 파장의 1/10 정도가 되면 나타납니다. 이러한 산란을 '레일리 산란'이라고 합니다. 또 빛의 파장과 같은 정도의 크기의 입자에서 산란하는 현상을 미 산란이라고 합니다. 공기 중에 포함되는 산소나 질소 등의 기체 분자의 크기는 빛의 파장보다 훨씬 작기 때문에, 태양광이 기체 분자에 부딪히면 레일리 산란이 생겨 청색의 빛이 강하게 산란합니다...
바다나 호수를 그릴 때, 해수면이나 호수면을 하늘색에 칠하는 경우가 많다고 생각합니다. 또한 컵에 들어간 물을 하늘색으로 칠한 일러스트도 많이 찾아 볼 수 있을 것 입니다. 하늘색은 무슨색인가 정의해보자면 ■ 아쿠아이거나, ■ 아쿠아블루에 해당하는 색 입니다. 그러나 실제 물을 컵에 따라보면 무색 투명하여, 아무리봐도 하늘색으로는 보이지 않습니다. 그렇다면 물의 색은 하늘색이라고 하는 선입관에 얽메여서, 하늘색으로 칠해진 컵의 물의 일러스트를 봐도 위화감이 없는 사람이 많은 것은 아닐까요. 그러나 실제 잠수함을 타고 바닷속에서 창문으로 들여다 본 수중은 온통 하늘색 세계였습니다. 잠수함의 창문에서 들어오는 빛도 청색으로 선실 안도 하늘색으로 물들었습니다. 이렇게 푸르게 되는 모습은 수족관에서도 체험할 수..
굴절률이 서로 다른 물질을 한층 한층 쌓아서 겹쳐놓은 물체에 빛을 통과시키면 빛은 그림과 같이 경계면에서 굴절하면서 진행합니다. 빛의 진행 방향이 바뀌는 것은 경계면이므로, 빛은 같은 굴절률을 가지는 층 안에서만 직진하는 것을 알 수 있습니다. 각 층의 두께를 얇게 하면 할수록, 한 층 내에서 빛이 직진하는 거리가 짧아집니다. 층의 두께를 한계까지 줄여서 연속적으로 굴절률이 변화하는 물질의 경우에 빛은 물질 내를 곡선으로 진행하게 됩니다. '페르마의 원리'에서는 '빛은 두 점 사이의 최단 시간의 경로를 진행한다'라고 설명됩니다. 연속적으로 굴절률이 변화하는 물질에서 빛이 물질에 들어가는 위치와 빛이 물질에서 나오는 점을 그 두 점으로 정의하면 더 이상 빛의 경로는 직선이 아닙니다. 빛이 최단 시간의 경로..