낮에 지면을 비추는 태양의 빛을 손으로 차단하면 지면에 손의 그림자가 비칩니다. 손 모양의 그림자가 생기는 것은 빛이 직진하기 때문입니다. 그런데 태양광으로 생기는 그림자는 진하고 선명합니다만, 형광등 같은 빛의 경우에는 진한 그림자의 주위에 불선명한 얇은 그림자가 생깁니다. 사진은 형광등의 빛으로 만든 손가락의 그림자입니다. 태양은 지구로부터 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 지상에 그림자가 생기는 정도의 거리에서는 점광원으로 생각할 수 있습니다. 점 광원이란 한 점에서 방사상으로 빛을 발하는 광원입니다. 한편 형광등 같이 넓은 광원을 면광원이라고 하며, 형광등의 면 전체에서 나오는 빛을 생각할 필요가 있습니다. 점 광원은 한점에서 빛이 나오므로 진한 선명한 그림자가 생깁니다. 그에 반해 면광원으로 전등에..
빛의 기본 특성으로 빛의 직진성이 있습니다. 빛은 광원에서 나온 후 직진합니다. 빛이 거울에 반사되면 빛이 진행되는 방향은 바뀌지만 빛은 반사 후에도 직진합니다. 빛이 공기에서 물로 들어갈 때, 빛은 수면에서 구부러져 굴절합니다. 빛이 수면에서 굴절되면 빛이 진행되는 방향이 바뀌지만 빛은 굴절 후 직진합니다. 빛은 어떤 길을 선택하고 나아가고 있을까요? 우리가 한 지점에서 다른 지점으로 향할 때 그 경로는 무수히 많이 있습니다. 예를 들면 A지점에서 C지점을 경유하여 B지점으로 간다거나, A지점에서 B지점으로 직접 가되 지그재그로 가는 등이 있을 것입니다. 그러나 보통은 '최단 거리'가 되는 A지점과 B지점을 직선으로 연결한 경로를 취할 것입니다. 빛도 같은 매질에서 진행할 때는 최단 거리로 진행합니다...
등대는 앞바다를 항해하는 선박에 빛을 보냅니다. 빛을 모아서 멀리 보내려면 크고 밝은 광원과 빛을 모아서 보내는 큰 렌즈가 필요합니다. 그런데 그렇게 큰 렌즈는 만들 수 없습니다. '어떻게 하면 멀리까지 빛을 보낼 수 있는 등대용 렌즈를 만들 수 있을까?' 이 렌즈의 아이디어를 생각해 낸 것이 프랑스 물리학자 오귀스탱 장 프레넬입니다. 프레넬 렌즈의 구조 프레넬은 1822년에 그림과 같이 유리판에 톱니이빨 같은 들쭉날쭉한 단차를 붙인 렌즈를 고안했습니다. 이 렌즈는 발명자의 이름을 따서 '프레넬 렌즈'라고 이름 붙여졌습니다. 프레넬 렌즈는 렌즈의 표면을 미세하게 분해하여 평면에 배치한 것과 같은 단면을 하고 있습니다. 구면 렌즈의 표면 부분을 미세하게 분해하여 평면에 배치했기 때문에 렌즈의 두께가 얇아집..
자동차의 반사판이나, 갓길이나 가드레일 등에 설치되어 있는 반사판은 스스로 빛을 내고 있는 것은 아니지만, 자동차의 헤드 라이트가 비추면 잘 빛납니다. 이것은 반사판이 자동차의 헤드라이트의 빛을 잘 반사하기 때문입니다. 어둠 속에서 사진과 같은 반사판에 강한 빛을 비추면 빛나 보입니다. 빛을 잘 반사하기 위해서는 평면거울을 설치하면 좋다고 생각할지도 모르겠습니다만, 평면거울은 반사판으로 사용되지 않습니다. 그 이유는 이과에서 배우는 빛의 기본적인 성질의 하나인 '빛의 반사의 법칙'을 생각하면 알 수 있습니다. 평면 거울을 자동차의 헤드라이트로 비추면 헤드라이트의 빛이 평면거울에 수직으로 닿으면 반사광이 자동차 쪽으로 돌아오기 때문에 운전석에서 거울이 빛나는 것처럼 보입니다. 그러나 빛이 비스듬히 닿으면 ..
많은 말에는 그 말의 근원이 되는 의미가 있습니다. 예를 들어, 빛과 관련된 도구인 거울은 영어로 미러(mirror)라고 하는데, mirror의 어근의 mir-에는 '놀라서 본다'라는 의미가 있습니다. 이것은 '놀랍고, 이상하게 생각한다, 본다'라는 의미를 가진 라틴어 'mirare'에서 유래합니다. 미라클(miracle)이나 신기루(mirage)등의 단어도 같은 어근 mir-를 가지고 있습니다. 확실히 고대의 사람들에게 거울은 놀랍게 보이는 신비하고 귀중한 도구였습니다. 렌즈도 거울과 마찬가지로 빛과 관련된 도구이지만, 렌즈라는 말에는, 보는 의미나, 혹은 빛을 모으는, 물건을 확대해 보는 등의 의미는 없습니다. 사실 렌즈라는 이름은 식물인 콩의 이름에서 유래했습니다. 그 콩의 이름이 바로 '렌즈콩'(..
세계에서 가장 오래된 렌즈는 기원전 700년경 현재 이라크의 북쪽에 있던 아시리아 문명이 도시 '니네베'의 유적에서 직경 3.8cm, 초점 거리 11.4cm의 수정 렌즈로, 이 렌즈는 태양광을 모으는 데 사용됐다고 합니다. 이는 스코틀랜드의 물리학자 이자, 만화경을 발명하거나 편광각을 발견한 것으로 유명한 '데이비드 브루스터'가 'British Journal of Physiological Optics'에 소개한 것이라고 하는데, 아마 1930년에 British Journal of Physiological Optics에 게제된 논문인 'The Nineveh Lens'의 내용에 기초하고 있는 것인 것 같습니다. 이 논문을 인용한 설명에는 이 렌즈는 대영 박물관에 소장되어 있으며, 레이어드 라고 하는 인물이 ..
무지개색은 흔히 빨 주 노 초 파 남 보의 일곱 색깔로 되어 있지만, 사실 무지개는 빨강에서 보라색까지 연속적으로 변화하는 무수한 색으로 이루어져 있습니다. 결코 7색만이 아닙니다. 그런데 왜 무지개색을 7색이라고 할까요? 무지개색을 7색으로 결정한 것은 아이작 뉴턴 백색광을 프리즘으로 색 띠로 분광하는 실험을 실시한 뉴턴은 무지개 색을 7색으로 결정했습니다. 원래 무지개의 기본색은 적 황 녹 청 보의 5색으로 되어 왔습니다만, 이 5색에 과일 오렌지의 오렌지색(주황색)과 식물 염료인 인디고의 색(남색)을 더해 7색으로 했다고 합니다. 그 7색을 차례로 늘어놓아 보면 빨간색, 주황색, 노란색, 초록색, 파란색, 남색, 보라색이 됩니다. 사진을 보면 분광된 빛을 확대하여 무지개 색의 변화를 알 수 있습니다..
무지개의 모양은 왜 아치 모양일까 우리가 평소 보는 무지개 모양은 사진과 같이 수평선이나 지평선으로 끊어진 아치모양입니다. 무지개가 아치모양이 되는 이유를 적색광으로 생각해 봅시다. 태양으로부터 오는 빛이 물방울에 반사되어 눈으로 올 때 적생광이 위치하는 42도 방향의 점을 연결해 나가면 어떻게 될까요? 무지개를 보고 있는 사람의 시점을 기준으로 하여, 공중의 물방울에서 반사된 빛이 지표면에 의해 끊어진 컴퍼스로 그린듯한 반원모양이 됩니다. 무지개가 아치모양으로 보이는 것은 무지개를 구성하는 각각이 색이 정해진 방향에서 보이기 때문입니다. 또한 무지개를 높은 산 정상 등에서 내려다보면 자신의 시선 아래에 있는 물방울에서 나오는 빛도 눈에 닿게 됩니다.이 경우 무지개의 하반부도 보이게 되고 무지개는 원형입..
비 개인 하늘에 걸리는 무지개는 매우 아름답습니다. 무지개는 자연이 만들어내는 빛과 색의 예술이라고 할 수 있습니다. 하늘의 캔버스에 수 놓인 아름다운 색의 띠는 어떻게 그려질까요? 무지개가 생기는 구조에 대해 생각해 봅시다. 프리즘으로 볼 수 있는 여러 색깔 빛의 띠 영국의 물리학자 '아이작 뉴턴'은 1672년에 'New Theory About Light and Colour(빛과 색에 대한 새로운 이론)'이라는 논문을 정리했습니다. 뉴턴은 이 논문에서 태양광을 '프리즘'에 통과시키면 빨강에서 보라색까지 연속적으로 변화하는 빛의 색 띠가 나타나는 현상에 대해 말하고 있습니다. 뉴턴은 태양광 자체는 색이 없지만, 태양광이 7색의 빛이 섞인 것임을 보여주었습니다. 뉴턴이 이 실험을 실시한 것은 1666년 입..
거울과 거울을 마주대고 거울 속을 들여다보면 비치는 것이 영원히 계속되는 것처럼 보입니다. 사진은 2장의 거울에 끼인 테이블이 한쪽의 거울에 비치는 모습을 촬영한 것입니다. 사진에서 선 오른쪽이 거울 속의 세계입니다. 천장의 전등과 테이블 위의 촛불이 영원히 계속되는 것처럼 보입니다. 전등과 촛불이 영원히 계속되고 있는 것처럼 보이는 것은 2장의 거울 사이에서 빛이 계속해서 반사를 반복하고 있기 때문입니다. 한쪽 거울에 비친 모습이 반대쪽의 거울에 비쳐, 그 거울이 또 원래의 거울에 비치는 것을 반복하고 있기 때문에 물체가 무한하게 비치고 있는 것처럼 보입니다. 그렇다면 거울에 있는 물체는 무한하게 보이는가? 거울은 빛을 잘 반사하지만 빛을 모두 반사할 수는 없습니다. 보통의 거울은 유리의 이면에 은이나..
밤하늘에 빛나는 달이 아직 수평선이나 지평선에 걸려있을 때, 달은 사실은 이미 수평선 너머로 사라졌다고 한다면, 당신은 믿을 수 있을까요? 밤하늘에 빛나는 별빛은 지구의 대기에 의해 굴절됩니다. 이 굴절의 정도는 바로 머리 위에서는 0이지만, 별의 높이가 낮을수록 굴절의 정도는 커집니다. 따라서 고도가 낮은 별은 실제로 별이 있는 위치보다 더 위쪽으로 보입니다. 이 현상을 '대기 굴절'이라고 합니다. 공기의 굴절률은 진공과 같이 1로 보는 경우가 많습니다만, 매우 두꺼운 대기층을 가지고 있을 때는 약간의 굴절율의 차이도 무시할 수 없기 때문에, 빛은 굴절해 버립니다. 이 편차는 수평선(지평선) 근처의 별에서는 각도로 약 0.6도나 차이가 있습니다. 24시간에 360도 이동한다고 생각하면, 1회당 이동하는..
중국의 오래된 전설에 거대한 조개 괴물이 요기를 토하고 누각을 만드는 이야기가 있습니다. 또, 15~17세기 무렵의 대항해 시대에는, 항해 중에 해상에 갑자기 괴물이 나타났다는 목격 예가 많이 있었습니다. 이들은 공기와 빛의 장난으로 생기는 신기루 현상입니다. 신기루는 수평선 부근의 먼 경치가 위아래로 뻗어 보이거나 공중에 떠있는 것처럼 보이는 현상입니다. 신기루가 일어날 때 온도가 다른 공기 층이 위아래로 만들어집니다. 해수면 근처의 공기가 차갑고 위쪽의 상층 공기가 따뜻할 때는 빛이 차가운 공기와 따뜻한 공기의 경계선에서 마치 반사된 듯이 굴절되기 때문에 멀리 있는 물체가 위로 솟은 것처럼 보입니다. 이런 현상을 '상위 신기루'(superior mirage)라고 합니다. 반대로 해수면 근처의 공기가 ..