[광학] 빛의 특성을 연구하는 학문, 광학(Optics)의 역사

 

 광학(Optics)이라는 단어는 고대 그리스어에서 유래한 말로, '외양'이라는 뜻을 가지고 있다. 광학은 물리학 중에서도 빛의 거동과 특성을 연구하는 분야이다. 이 중에는 빛과 물질의 상호 작용, 그리고 이를 검출하기 위한 장치의 구성도 함께 포함된다. 인류 문명의 초기부터 빛은 물리학뿐만 아니라 철학, 의학, 신학 등 여러 학문에 걸쳐서 언급되며, 연구되었다. 

 기원전 700년경, 고대 이집트인들과 메소포타미아인들은 광택이 나는 석영 결정으로 님루드 렌즈를 만들어냈고, 고대 로마인과 그리스인들은 유리 구체 내에 물을 채워 렌즈를 만들어냈다. 고대 그리스와 인도 철학자들은 빛과 시각의 이론을 발전시켜 냈으며, 뒤이어 그레코-로만 문화에서 '기하 광학'이 발전되기도 했다. 중세 이슬람의 과학자인 알 하이 탐은 "광학의 서"에서 본인이 직접 관찰한 빛의 직진, 분산, 반사, 굴절 등과 같은 현상을 기록하기도 했는데, 이 서적은 1270년 라틴어로 번역되어 이후 유럽의 과학 연구, 특히 광학 연구에 많은 영향을 주었다.

 

 

 그러나 광학에 대해 논했던 그리스의 철학은 실험 결과에 기반하지 않은 단순한 사고 추측일 뿐이었다. 플라톤은 눈에 의해서 방출되는 광선에 의해 우리의 시각적 지각이 이루어진다는 개념, 방출 이론을 제시하였다. 그로부터 약 100년 후, 유클리드는 그의 저서를 통해 빛의 직진성과 반사 법칙 등 다양한 빛의 특성에 대해 언급하며 시각의 수학적 규칙을 기술하고 굴절의 영향을 정상적으로 묘사했다. 아리스토텔레스, 프톨레마이오스 등의 과학자들도 빛의 성질에 대해 다루었으며, 중세의 베이컨, 비텔리 등의 유명한 철학자들 또한 빛의 성질과 특성에 관해 관심을 보였다. 특히 프톨레마이오스는 눈에서 나오는 광선 혹은 선속이 원뿔을 형성하고 있으며, 꼭짓점을 눈 내부에 두어 시야를 정의하기도 했다. 

 광학에 대한 이론이 본격적으로 체계적인 연구가 진행된 것은 17세기 이후의 일이다. 안경 제작자였던 한스에 의해 망원경이 세상에 알려지게 되면서 갈릴레이, 데카르트, 요하네스 케플러 등의 과학자들이 이를 발전시켰다. 또 광학의 이론에 대해서는 17세기 중반부터 광학적인 현상을 기본으로 꾸준히 논쟁이 이어졌는데, 철학자였던 르네 데카르트가 빛이 그것을 만들어내는 물체에 의해 방출된다는 가정을 통해 반사와 굴절 등 다양한 광학적인 현상을 설명해 냈다. 아이작 뉴턴은 데카르트의 아이디어를 빛의 미립자 이론으로 확장했으며, 백색광은 프리즘을 통해 구성 요소로 분리될 수 있는 색채가 혼합되어 있다는 것을 직접 관찰하기도 했다. 이는 그가 직접 1704년 "광학"이라는 서적을 출판하면서 빛을 일종의 입자라고 설명하기도 했다.

 

 반면 하위헌스 원리로 오늘날 이름이 알려진 크리스티안 하위헌스와 로버트 훅의 경우 빛을 파동으로 생각하였는데, 하위헌스는 자신의 이론을 바탕으로 빛의 반사와 굴절을 완벽하게 설명하는 수리 모형을 수립하기도 하였다. 그러나 이는 앞서 언급된 아이작 뉴턴의 이론과 크게 반목하였다. 당시에는 뉴턴의 명성이 높았기 때문에 사람들은 뉴턴의 설명이 옳은 것이라 생각하였고, 이는 19세기의 토머스 영과 오귀스트 장 프레넬이 빛에 대한 간섭 현상을 발견하기 전까지 그 믿음이 꾸준히 이어져 왔다. 

 빛이 입자인지 파동인지에 대한 논란은 그 이후에도 20세기 초까지 지속되었다. 당시의 명성이 높았던 뉴턴의 입자설이 우세했으나, 빛이 파동의 성질을 가지고 있다는 것 또한 명확한 사실이었기 때문이다. 에드몽 베크렐의 전기에 의한 발광 실험, 토머스 영의 이중 슬릿 시험을 통한 빛의 간섭 효과 증명 또한 패러데이의 자기장에 의한 빛의 편광 특성 실험 등을 토대로 빛의 파동설은 꾸준히 언급되었다.

 

 

 광학 이론은 1899년 막스 플랑크가 빛과 물질 사이의 에너지 교환이 이산적인 양에서만 발생한다고 가정한 흑체 복사를 모형화함으로써 한 단계 더 발전할 수 있었다. 1905년 알베르트 아인슈타인은 빛을 양자화한 광전 효과 이론을 발표하여 빛의 입자설에 힘을 실어주기도 했다. 또한 1913년 닐스 보어는 원자가 불연속적이면서 개별적인 양의 에너지만 방출할 수가 있으며, 방출과 흡수에서 보이는 "이산적 선 스펙트럼"을 거론하기도 했다. 이러한 빛과 물질의 상호작용에 대한 이해, 즉 빛이 입자로서의 성질과 파동으로서의 성질을 모두 가지고 있다는 것을 모순 없이 설명한다는 것은 "양자 역학"이 수립된 이후에 가능하게 되었다. 양자 전기역학 이론은 모든 광학과 전자기 과정을 실제 광자와 가상의 광자에 대한 교환의 결과로 설명하고 있다. 양자 광학은 1953년 메이저와 1960년 레이저가 발명되면서 그 중요성이 더욱더 대두되었다.

 

 빛과 물질의 상호작용에 대한 이해는 오늘날 양자역학의 기초를 형성하였을 뿐만 아니라, 양자역학의 전체적인 발전에 크게 기여하였다. 이는 빛의 입자성 혹은 파동성이라는 단일적인 성질로만 설명될 수 없으며, 파동 광학은 1860년대의 과학자 제임스 맥스웰에 의해 "전자기학"으로 통합되었다. 이처럼 빛이 입자인지, 파동인지에 대한 논쟁은 과학자들 사이에서 끊임없이 주장과 근거가 오가며 마침내 현대 물리학에서는 빛이 맥스웰 방정식을 만족하는 전자기파의 성질을 가짐과 동시에, 어떠한 다른 물질과 상호 작용할 때는 양자화된 에너지의 특성이 나타나 입자적인 특성을 보여준다고 설명하고 있다.

 오늘날 단순화된 광학 모델로써 기하 광학이 많이 사용되고 있다. 이는 빛이 직진하는 특성을 기반으로 매질의 경계면을 통과하거나 반사할 때 빛이 구부러지는, 굴절하는 선으로 취급하는 것이다. 그러나 실제 빛은 다음과 같은 기하 광학으로 설명할 수 없는 회절, 간섭과 같은 파동의 성질도 가지고 있다. 역사적으로는 광선을 기반으로 한 기하 광학이 먼저 개발되었고, 19세기 전자기학 이론의 발전에 따라 빛이 전자기파라는 사실로부터 파동 광학이 알려졌다. 어떠한 광학 현상에서는 빛이 파동과 입자의 성질을 모두 가지고 있다는 것을 고려해야 하기도 한데, 이를 설명하기 위한 것이 바로 "양자역학"이다. 

 

 

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