광학의 기초

광학이란

광학의 기초

빛의 정체

성경에서와 같이 :하나님이가라사대 빛이 있으라하시매 빛이 있었고"(창세기1:3)에서 알수 있듯 빛은 모든것의 근원이며 생명의 근원이 된다는것을 우리는 모두 알고 있습니다. 빛을 정복한다는 것은 인류가 불을 사용하게 되면서부터 이지 않을까 저는 생각합니다. 불은 어둠이라는 공포를 이겨내고 음식을 익혀먹는 수단으로써 인류의 최초의 발견이자 발전입니다. 초반에는 번개에 의해서 또는 바랍에 의한 나무의 마찰로 인한 자연발화로 불을 얻었다면 점차 인류가 발전을 거듭하면서 불을 인위적으로 만들 수 있게 되었습니다. 불의 사용의 시초는 약 150만년전 우리의 조상이라 할 수 있는 호모에렉투스부터 라고 합니다. 우리가 말하는 빛은 우리눈이 인식할 수 있는 가시광선영역의 빛을 말하며, 좁은 의미로의 광학은 그러한 빛을 연구하고 탐구하는 학문을 말합니다. 하지만 넓은 의미에서의 광학은 가시광선뿐만이 아니라 그보다 더 넓은 파장 영역의 파동에 대해서도 다루고 더 나아가서는 양자전자기론도 같이 다루게 된다. 이와 같이 광학의 학문분야는 전반적인 물리분야를 전체적으로 두루섭렵한다고 볼 수 있습니다. 이렇게 광학이 물리의 모든 분야에 걸쳐서 발전하게 된 근본적인 원인은 이중성을 띄는 빛의 정체로부터 기인된다고 개인적으로 생각합니다. 양저역학이 나온 1900년대 이전까지는 많은 사람들은 빛의 본질 및 성질에 대하여 연구 및 탐구하면서 빛을 크게 입자와 파동 두가지 중 하나라고 생각하였습니다.

입자설

입자설은 뉴턴에의해서 만들어진 가설로 빛은 직진운동을 한다는것에 근하여 만들어졌습니다. 그에 따르면 빛은 빛 알맹이의 흔적인 광선으로 말할 수 있으며 백상광은 각각의 다른 색깔을 갖는 빛 알맹이들의 혼합물입니다. 일반적으로 사람의 눈이 빛을 인식하게 되는 것은 잔잔한 수면 위에 돌을 던졌을 때 발생하는 수면파처럼 빛 알맹이들이 사람의 망막에 진동을 유도하고 이러한 진동이 신경계를 통해 진행하게 되면서 보게 된다고 생각할 수 있습니다. 이와 같이 각각의 색을 띤 빛 알맹이는 물질에 닿아 튕기게 되면 각기 다른 진동을 발생시키게됩니다. 즉 빨간색은 긱 진동을 보라색은 짧은 진동을 발생시킨다고 설명할 수 있습니다. 뉴턴의 이론에서 가장 중요한 현상은 빛이 굴절율이 큰 매질로 들어갈 때 생기는 현상입니다. 뉴턴은 빛이 매질에 투과될 때 물질이 그 빛을 끌여당겨 속도가 빨라진다고 생각하였습니다. 뉴턴이 빛이 파동이 아니라고 생각한 이유는 파동은 실제로 물질이 전달되지 않기 때문에 열을 전달한다거나 굴절 및 투과에 생기는 물체에 영향을 주는 일이 불가능하기 때문이라고 생각하였습니다. 이러한 현상의 예로 물 위에 어떤 물체를 놓고 수면파동을 일으키면 그 물체는 상하로 움직이기만 할 뿐 파동만이 전달이될 뿐입니다.

파동설

파동설은 하위헌스에 의하여 만들어진 가설로 빛이 물결파처럼 어느 하나의 파면에서 다른 파면으로 전파가되는 과정에서 구면파의 파면의 각 지점에서 구면파가 생성되고 이렇게 생성된 구면파가 중첩이 되어 모인것들이 중첨되어 다른 파면을 형성한다는 가설로부터 탐구를 시작하게 됩니다. 뉴턴과 다르게 하위헌스는 촘촘한 매질속에서 빛의 속도는 저하하게 된다라고 생각하였습니다. 이러한 현상을 이중굴절현상 또는 편광의 개념을 활용해 설명하고자 하였습니다. 소리나 물결파를 통해 이해할 수 있듯이 이 파동은 매개물질을 통해서만 전달이 가능함을 알 수 있습니다. 과거로부터 빛을 전달하는 매구물질을 천상의 물질이라 하였고 이를 에테르라고 불렀습니다. 하위헌스는 이러한 에테르의 정의를 입자의 크기가 매우 작은 알갱이로 채워져 있는 상태라고 내렸습니다. 그리고 그 알갱이들은 당구공처럼 매우 단단하다고 생각하였다. 만약에 알갱이가 단단하지 않고 무르다면 파동이 전달되는 과정에서 시간지연이 많이 일어나서 빛의 속도가 매우 저하되게 된다. 그러나 빛의 속도는 이와 다르게 매우 빠르므로 그 알갱이가 단단하는 생각을 뒷바침할 수 있다고 생각하였다. 또한 파동이 퍼져나갈 때 구면파를 형성하면서 퍼져나가는 이유로는 한개의 에테르 알맹이가 진동을 하게 되면 그 주변의 에테르알맹이가 영향을 받게 되고 또 그 알맹이가 다시 진동을하고 주변 에테르 알맹이에게 영향을 주면서 퍼져나간다고 생각하였다.