파장의 이동 방식과 에테르

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라디오

파장을 전달해 주는 매질

조용한 물 위에 돌을 떨어 뜨리면, 돌이 떨어진 곳을 중심으로 파문이 퍼집니다. 이때 수면에 떠 있는 잎사귀를 보면, 잎사귀는 그 자리에서 흔들리고 있을 뿐입니다. 파장을 전달하는 역할을 하는 매질인 물은, 파장을 전파하지만 파장과 함께 움직이지는 않습니다. 그리고 수면에 떠있는 물건도 파장과 함께 움직이지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 기타의 현을 연주하면 현이 진동하여 소리가 나옵니다. 또한 북을 두드리면 북의 껍질이 진동하여 소리가 나옵니다. 기타의 현이나 북의 껍질에서 나오는 것은 음파입니다. 이렇게 소리가 나고 있는 것은 진동하고 있습니다. 물건이 진동하면 물건 주위에 있는 공기에 압력의 변화가 생겨 그 압력의 변화가 공기를 타고 전해 집니다. 이것이 음파입니다. 실제로 음파가 전해지는 모습을 북을 예로 생각해 봅시다. 북의 껍질이 진동하여 공기가 눌려지면 면적이 축소되어 구성 분자가 조밀 해지고 압력이 높아집니다. 반대로 공기가 당겨지면 면적이 넓어지면서 구성 분자 사이의 공간이 넓어지고 압력이 낮아집니다. 그렇게 물건의 진동이 공기를 흔들어 공기의 진동이 되어 전달 됩니다. 그 공기의 진동, 즉 음파가 귀 안쪽에 있는 고막을 진동시키면, 우리가 소리를 듣게 됩니다. 그렇기 때문에 진공상태에서는 소리가 들리지 않게 됩니다. 이것은 매질이 되는 공기가 없기 때문으로, 음파를 전달해 줄 수단이 없기 때문입니다. 그림과 같이 알람이 울리는 시계와 무선 마이크를 용기에 넣습니다. 용기 외부에 무선 마이크 소리를 전달 받기 위한 라디오를 놓습니다. 용기에 공기가 가득 차면 알람 소리는 용기의 공기를 진동시켜 무선 마이크에 음파를 전달합니다. 따라서 라디오를 통해서 알람 소리를 들을 수 있습니다. 용기 내의 공기를 진공 펌프로 뽑아내기 시작하면 알람 소리가 작아져 곧 들리지 않게 됩니다. 용기 내의 공기가 적어지면 알람 소리의 진동이 전해지기 어려워집니다. 공기가 전혀 없는 진공이 되면 진동을 전하는 것이 없어지므로 알람 소리가 들리지 않게 됩니다. 그러므로 공기가 없는 우주 공간에서는 소리가 전해지지 않습니다. 이렇게 파장이 전달되기 위해서는 매질이 필요합니다. 매질이 진동하여 파도가 치는 것처럼 만들어 파장을 전해 갑니다.

빛의 파장

19세기 초에 토마스 영이 실시한 빛의 간섭 실험에서 빛의 정체는 파장임을 보여주었습니다. 그 후에도 오귀스탱 장 프레넬의 편광 실험 등 빛이 파장임을 보여주는 실험 결과가 많이 나왔습니다. 그런데 밤하늘의 별이 빛나고 보이는 것에서도 알 수 있듯이, 빛은 우주의 머나먼 저편으로부터 전해져 옵니다. 빛은 진공 속에서도 아무 문제없이 전해지고 있습니다. 파장이 전달되기 위해서는 매질이 필요합니다만, 도대체 빛의 파장은 어떻게 진공 속에서도 전달이 되는 것 일까요? 옛날부터 과학자들은 우주에는 빛의 파장를 전달하는 매질이 되는 것으로 채워지고 있다고 생각하고 있었습니다. 그리고 그 매질이 되는 것을 에테르라고 명명했습니다. 에테르의 어원은 그리스어의 '아이테르'였고, 고대 그리스의 아리스토텔레스는 아이테르가 하늘을 채우는 원소이며, 천체가 원운동하는 것은 그것의 회전에 의한 것이라고 생각했습니다. 물리학에 에테르의 개념을 도입한 것은 프랑스의 자연 철학자 르네 데카르트입니다. 그는 1644년의 저작 '철학 원리'에서 우주는 무한한 넓이를 갖고 진공은 존재하지 않는다고 말했다. 그리고 우주 공간은 에테르의 미립자로 가득 차있으며, 에테르가 소용돌이처럼 움직이기 때문에 천체가 회전 운동을 하고 있다는 소용돌이 이론을 주창했습니다. 예를 들어, 행성이 태양의 주위를 동일 평면상에서 같은 방향으로 회전 운동하는 것은 에테르가 수면에 생긴 소용돌이처럼 태양을 중심으로 소용돌이처럼 회전하고 있기 때문이라고 말했습니다. 데카르트는 물체의 움직임에 대해서도 소용돌이 이론을 적용합니다. 예를 들어, 물체가 떨어지는 것은 소용돌이가 생긴 수면에 떠있는 나무 조각이 소용돌이의 중심으로 끌어 당겨지는 현상과 같다고 생각하고, 물체가 떨어지는 것은 지구를 중심으로 한 에테르의 소용돌이의 움직임에 의한 것이라는 이야기 입니다. 이와 같이 데카르트는 물체의 운동을 공간을 채우고 있는 에테르에 의한 근접작용으로 설명하려고 시도했습니다. 그리고 물체의 이동뿐만 아니라 힘과 빛도 에테르를 매질로하여 전해진다고 생각했습니다. 데카르트의 이런 생각은 잘못된 이론이었지만, 힘이나 빛이 원격작용이 아니라 근접작용으로 전해진다는 생각자체는 틀리지 않았다고 할 수 있을 것 입니다. 데카르트의 이론은 이후 많은 과학자들에 의해 뒷받침되었습니다. 예를 들어, 빛의 파동설을 주장한 크리스티안 호이겐스도 빛을 전달하는 매질은 에테르라고 하였습니다.

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파장이 매질을 통해 전달되는 속도

일반적으로 파장이 전달되는 속도는 매질의 탄성이 크면 클수록 커집니다. 탄성이란 물질에 힘을 가해 변형시켰을 때 원래 형태로 돌아가는 성질을 말합니다. 물질에 힘을 가하여 변형시키는 것은 물질을 구성하는 원자나 분자 등의 입자의 결합을 변형시키려는 것입니다. 그러므로 탄성이 큰 물질은 물질을 구성하는 입자의 결합이 강하고, 힘을 가해 변형해도 즉시 원래의 형태로 돌아가려고 합니다. 탄성이라고 하면 고무 등을 떠올릴지도 모릅니다만, 탄성 그 자체는 유리나 금속 쪽이 더 큽니다. 파장은 매질의 변형과 회복을 통해 전해져 가므로, 탄성이 큰 매질이 더 빠르게 전해집니다. 그러므로 예를 들어, 음파는 공기중보다 액체에서, 액체에서 보다는 고체에서, 같은 고체에서도 좀 더 탄성이 큰 단단한 고체에서 더 빠르게 전해집니다. 또한, 파장은 매질의 관성이 클수록 전달하기 어렵다는 성질이 있습니다. 이것은 물질에 힘을 가해 움직이려고 할 때 질량이 큰 물질일수록 움직이기 어려운 것과 같습니다. 매질을 구성하는 입자의 질량이 클수록 입자가 변형되기 어려워지므로 파장이 전달되기 어려워집니다. 이것으로부터 파장의 속도는 매질의 탄성의 성질이 클수록, 매질을 구성하는 입자의 질량이 작을수록 크다는 것이 됩니다. 이것을 빛의 파장과 에테르와의 관계에 맞추어 봅시다. 광속은 매우 큰 값이기 때문에, 에테르의 탄성은 매우 커야 합니다. 또한 에테르의 질량은 매우 작아야 합니다. 이것을 한마디로 말하면, 에테르는 단단하고 희박하다는 것입니다. 탄성이 큰 에테르가 그렇게 희박할 가능성이 없습니다. 이후 빛의 파장은 프레넬 등에 의한 방해석에 의한 복굴절의 연구에 의해, 종파가 아니라 횡파인 것을 알았습니다. 빛이 횡파라는 것은 빛의 속도와 에테르의 관계의 모순을 더욱 부각시켰습니다. 횡파는 파장의 진행 방향에 대하여 매질이 수직으로 진동하고, 그 수직의 진동이 파의 진행 방향으로 전해져 가는 현상입니다. 물질의 변형이, 변형의 방향에 대해 직각으로 전달되기 위해서는 매질을 구성하는 입자끼리의 결합이 강해야 합니다. 그러므로 입자끼리의 결합이 약한 기체나 액체에서는 횡파를 전달할 수 없습니다. 그렇기 때문에 일반적으로 횡파를 전달하는 매질은 고체가 됩니다. 즉, 횡파인 빛을 전하는 에테는 고체처럼 에테르끼리 강하게 연결되어 있어야 합니다. 그러나 공간이 고체와 같은 에테르로 채워져있다는 결론은 받아 들일 수 없었습니다. 프레넬은 이런 식으로 에테르가 데카르트처럼 유동적이지 않고 고정적이라고 생각했습니다. 이 프레넬의 고정 에테르 아이디어는 많은 학자들에 의해 뒷받침되었습니다. 에테르가 고정적인 것이라면, 에테르를 기준으로 한 공간의 절대 좌표를 알 수 있다고 생각하게 되었습니다. 19세기에는 에테르는 발견되지 않았지만, 빛이 파장인 이상, 빛의 파장을 전달하는 매질은 반드시 존재한다고 생각되고 있었습니다. 과학기술이 발전하면 조만간 에테르를 발견할 수 있을 것이라는 것이 당시 과학자들의 생각이었습니다.

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