다행히 우주의 진공상태는 소리는 차단시키고, 빛만이 그 공간을 통과해 지구에 도달할 수 있습니다.
그럼 왜 빛만이 진공을 통과할 수 있을까요? 조금 더 나아가서, 빛은 과연 무엇일까요? 오늘은 빛에 대한 첫 번째 주제로, 빛이란 무엇인가에 대해 알아보도록 하겠습니다.

과학자들은 빛의 본질과 행동에 대한 이론을 공식화하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다.
빛이 입자인지, 파동인지를 놓고 당대의 유명한 과학자들이 여러 가설과 실험을 통해 논쟁을 해왔죠. 긴 논쟁 끝에 전자기파 이론과 양자(또는 광자)이론을 통해 빛의 거의 모든 측면을 함께 설명하는 이론들이 등장했습니다.

맥스웰(Maxwell)은 빛을 가장 간단하게 정의했습니다. 맥스웰은 빛이 광원에서 모든 방향으로 전파되는 파동으로 구성된 전자기파라고 정의했습니다. 빛의 파장은 입자가 아닌 전기장 및 자기장으로 구성됩니다. 소리는 입자의 파동이었기에 진공에서 이동이 불가능했지만, 빛은 입자의 파동이 아닌 전자기파이기 때문에 진공의 우주에서도 이동이 가능했던 것입니다.

소리와 빛은 파동의 방향도 서로 다릅니다. 입자 진동의 방향이 이동방향과 일치하는 소리와 달리, 빛은 이동방향에 수직인 진동을 갖게 됩니다. 그래서 파동이 진행방향으로 소리는 종파, 진행방향의 수직으로 움직이는 빛 또는 전자기파를 횡파라고 합니다.

파장의 한 상단과 다음 상단 사이의 거리를 파장이라고 합니다. 전자기파의 많은 특성은 주로 파장의 차이로 설명됩니다. 잠시 뒤에 다룰 전자기 스펙트럼도 이 '파장'을 기준으로 분류하죠. 전자기파를 다룰 때 우리에게 익숙한 또 다른 단위인 주파수는 초당 왕복 진동수를 의미하며 헤르츠(Hz)로 표기합니다.

앞서 맥스웰의 정의를 통해 빛은 전자기파라고 이야기했습니다. 하지만 우리가 주로 ‘빛’이라고 이야기하는 존재는 눈으로 볼 수 있는 '가시광선'을 의미합니다. 가시광선은 전자기 스펙트럼의 일부로, 가시광선 말고도 많은 전자기파가 존재합니다. 전자기파의 스펙트럼은 매우 넓습니다. 에너지가 적은 긴 파장의 전자기파부터 높은 에너지의 짧은 파장의 전자기파 순으로 이야기해보겠습니다.

최대 2,000m에 이르는 장파 라디오(Long Radio Waves)에서부터 AM/FM 라디오, 마이크로파(Micro Wave), TV 방송 및 레이더 전송파장(파장1m 이하)이 존재합니다. 그런 다음 1/1,000mm 미만의 파장에서 적외선에 도달합니다. 그리고 드디어 780나노미터(nm,백만분의 1밀리미터)에서부터 380나노미터까지의 스펙트럼에서 우리 눈에 보이는 가시광선을 만나게 됩니다.

가시광선은 그 안에서 파장의 길이에 따라 다른 색상이 만들어집니다. 태양이나 백열전구에서 만들어지는 백색의 빛은 이러한 가시광선 스펙트럼의 모든 파장이 혼합되어 나타나는 결과입니다. 반대로 이 백색의 빛을 프리즘에 통과시키면 무지개 스펙트럼을 볼 수 있습니다.

이보다 더 짧은 영역에서는 자외선(UV:Ultra Violet)이라 부르는 파장이 존재합니다. 이 파장은 길이에 따라 UV-A, UV-B, UV-C로 나뉘며, 소량의 UVB는 비타민 D를 생성하는데 도움을 줍니다.
하지만 UV-B의 파장에 오랜 시간 노출되거나, UV-C 파장에 노출되는 것은 인체에 위험할 수 있습니다. 하지만 이러한 높은 에너지를 활용해 박테리아나 바이러스를 퇴치하는 UV-B, UV-C 파장의 조명이 최근 각광받고 있습니다.

자외선보다 더 짧은 파장으로는 의료분야에 사용되는 X-ray, 그리고 핵 분해의 결과로 방출되는 매우 위험한 감마선이 있습니다. 마지막으로는 우주광선(Cosmic ray)이 있습니다.

이러한 전자파 이론을 사용하면 빛의 속도뿐 아니라 반사, 흡수, 투과, 굴절, 간섭, 편광과 같은 다양한 빛의 측면을 계산하고 예측할 수 있습니다.
그러나 이 파장 이론만으로 빛의 모든 측면을 계산할 수는 없습니다. 이를 위해서는 빛의 양자 또는 광자 현상으로 보이는 이론을 적용해야 합니다.

상대성 이론을 통해 알버트 아인슈타인(Alvert Einstein)은 놀라운 발견을 했습니다. 진공상태에서 전자기 복사의 속도, 즉 빛의 속도가 우주에서 유일하게 일정하며 또한 가능한 최고속도라는 것을 알아낸 것이죠.
(빛의 속도는 초당 약 300,000km입니다.)

맥스 플랑크(Max Planck)는 1900년에 방사선 에너지가 불연속으로 방출된다고 가정했으며, 이를 양자라 불렀습니다. (가시광선에는 '광자'라는 용어를 사용합니다.)
플랑크의 이론은 파장이 짧을수록 복사 에너지가 높다는 것을 알게 해 줍니다. 이것은 왜 우리 몸이 라디오 전파에 문제가 되지 않는지를 설명해주며, 또한 단파장의 UV광선이나 X선, 감마선에 주의해야 하는 이유도 알려줍니다.

이후 양자역학을 통해 빛이 파장임과 동시에 입자라는 사실이 새롭게 정의되고, 빛과 관련된 과학기술을 놀랍도록 발전하게 됩니다. 양자역학 이론은 단순히 빛의 성질을 알려주었을 뿐 아니라 원격통신, 반도체, 핵발전소, 레이저, 전자 컴퓨터와 같은 대부분의 현대 기술이 개발되는 밑바탕이 되었습니다.

첫 번째 주제로 빛이란 무엇인지, 그리고 우리가 눈으로 보는 가시광선 외에는 어떠한 전자기파들이 있는지 알아보았습니다.
첫 시간이니만큼 넓은 범위에서 ‘빛이란 무언인가'에 대해 이야기해보았다면 앞으로는 우리 주변에서 빛은 어떤 상황에서 만들어지는지, 또 그에 따른 램프들은 어떤 것들이 있는지 이야기해 보도록 하겠습니다.
그럼 다음 강의에서 만납시다!