흥미진진 과학이야기 <48> 빛은 무엇을 타고 흐르는가?

흥미진진 과학스토리 <48>

빛은 무엇을 타고 흐르는가?

독일의 작센안할트 주의 주도(州都)가 마그데부르크다. 이곳에는 오토 폰 케리케(1602 ~1686)의 유명한 실험이 조각으로 구현되어 있는데 그는 마그데부르크의 시장이면서 물리학자이기도 했다. 1618년부터 30년간 진행된 ‘30년 전쟁‘은 로마 가톨릭을 따르는 국가와 개신교 국가 사이의 전쟁이었다. 마그데부르크는 그 최대 피해자로 3만에 육박하던 인구가 5천 명으로 줄어든다. 황폐한 도시의 재건을 담당했던 케리케는 최초의 루터파 대학인 ‘마그데부르크 대학교’를 육성하기도 하는 등 행정가로써의 업적도 대단하다. 하지만 그의 진공실험은 더더욱 유명하다.

청동으로 만든 반구(半球)를 서로 마주보게 한 다음 자신이 개발한 진공펌프를 이용하여 공기를 뺀다. 그런다음에 8마리의 말을 이용하여 서로 잡아 당기도록 한 것이다. 4마리의 말이 서로 잡아 당겨도 반구는 떨어지지 않았다. 진공의 성질에 대한 가장 화끈한 실험이었다. 이후 진공은 과학자들의 연구대상으로 떠오르게 된다. 

 그는 한걸음 더 나아가 소리나는 종이 들어 있는 투명한 유리그릇을 만들어 진공을 만들었다. 공기가 모두 뺀 다음에 종을 흔들자 더 이상 들리지 않았다. 진공 속에서는 소리가 전달되지 않는다는 것을 증명한 것이다. 그러나 투명한 유리 속의 종은 뚜렷하게 보였다. 소리는 공기를 타고 흐르는 것이다. 그렇다면 유리 속의 종은 왜 보이는 것일까? 진공 속의 그 무엇이 빛을 전달해 주는 것일까? 당연한 질문이다.

 19세기 물리학자들은 우주 전체가 광학 에테르라고 불리는 물질로 가득 차 있다고 가정하고 이 에테르가 빛을 전달해 주는 매질의 역할을 한다고 믿었다. 이 가상적인 물질은 빅토리아 시대의 위대한 과학자 켈빈이 지적했듯이 놀라운 성질을 가지고 있어야 했다.
그렇다면 광학 에테르란 무엇인가? 이것은 공기 밀도의  100분의 1의 100만분의 1의 100만분의 1보다 작은 밀도를 가지는 물질이다. 우리는 이 물질의 몇 가지 극단적인 성질을 생각해 볼 수 있다. 이것은 밀도에 비해서 매우 딱딱한 성질을 가지는 물질이어야 한다. 초당 4 X 번 진동할 수 있으면서도 이것을 통과하는 데 조금의 저항도 발생시키지 않아야 한다.
<빅뱅:우주의기원> 사이먼 싱

이 시대의 과학자들은 온 우주가 ‘광학 에테르’라는 물질로 가득 차 있어서 빛이 아무런 저항도 없이 빠르게 전달된다고 믿고 있었다. 우리는 공기가 있어서 서로에게 말을 할 수 있고, 고래는 물을 매질로 음파를 전달한다. 쇠나 바위 역시 고체의 물질을 매질로 사용하여 진동을 전달한다. 그러니 빛 역시 무언가를 통해서 전달되는 것이 마땅하고 자연스러운 일이다. 천동설이 자연스러웠던 것처럼 우리의 직관은 광학 에테르가 당연히 존재해야 한다. 당시의 과학자들로서는 최선의 합리적인 추론이었다. 과학자들은 그 ‘광학 에테르’를 찾으려고 노력하였다. 그리고 광학 에테르의 실험적 검증은 미국인으로서 최초로 노벨상을 받았던 앨버트 마이컬슨(1852~1931)의 몫이었다.

(참고: 사이먼 싱 저, 영림카디널 출판, ‘빅뱅 : 우주의 기원’ )

 과학책을 읽는 보통사람들 회원 허심

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