김상협의 무지개 연구

김상협의 무지개 연구 - 무지개로 푸는 과학의 원리와 역사
김상협 지음 / 사이언스북스 / 2023년 2월

아메리카 원주민이 1,500년 전에 남긴 암각화에 무지개 그림이 있다. 무지개를 본 인류는 그 속에서 어떤 이야기들을 만들어 냈을까? 인류가 무지개를 목격한 순간부터 무지개 이야기는 시작된다. (-31-)

무지개를 만드는 물방울은 공처럼 표면이 동그랗다. 빛이 이런 물방울 속으로 들어가면 진행 방햐이 꺾인다. 빛이 서로 다른 물질의 경계면에서 진행 방향이 꺾이는 것을 '굴절'이라고 한다. 돋보기나 카메라에 달린 렌즈는 모두 굴절의 원리를 이용한 것으로 물체의 확대된 상을 보여준다.

비 온 다음 하늘에 떠 있는 물방을도 마치 렌즈와 같은 역할을 한다. 이 물방울 렌즈가 포착한 태양의 신비로운 모습이 바로 무지개인 셈이다. 우리가 렌즈가 들어 있는 망원경으로 멀리 떨어져 있는 행성서의 상을 확대해서 선명하게 보듯이, 물방울 렌즈로 태양의 상을 보는 것이다.

그래서 무지개는 물방울 렌즈로 본 태양의 모습이다. (-80-)

사실 달빛은 태양 빛을 달이 반사하는 것으로 햇빛의 스펙트럼과 달에서 오는 빛의 스펙트럼은 일치한다. 그러나 무지개의 모든 특성이 달무지개에도 나타나는 것은 당연하다. 다만 꽤 보기 힘든 게 단점이다.아리스토텔레스는 "달에 의한 무지개를 50년 동안 두 번 봤다"라고 쓰기도 했다. (-112-)

당시 철학자들과 과학자들이 뉴턴의 이론들을 받아들이기 어려운 이유가 하나 더 있었다. 뉴턴의 무지개 이론을 이해하기 위해서는 당시로는 최신 수학인 미적분을 알아야 했기 때문이다. 지금도 많은 '수포자' 들이 미적분을 풀지 못해 직업 선택에 엄청난 제한을 받는데 300년 전 중세 사람들에게 미적분은 쉽게 범접하지 못할 공부임에 틀림이 없었으리라. 이 시기에 벌써 무지개 이론은 진보된 수학에 익숙하지 않은 사람이 따라올 수 없는 시점에 이르렀던 것이다. (-164-)

물방울의 지름이 1밀리미터 정도는 돼야 무지개가 만들어지는데 대기 중 이물질들은 물방울의 습기를 가로채서 무지개를 만들 물방울의 크기를 줄여 무지개가 만들어지는 것을 방해한다.

한편으로는 이런 희소성 때문에 무지개에 대한 사람들의 관심이 높아질 것으로 기대하지만 막상 무지개가 뜨면 연예인이 나타난 것처럼 인증샷 찍기 바빠서 좀처럼 무지개를 진지하게 살펴보지 않는다. 무지개에 숨은 수많은 관찰 포인틀르 제대로 보지 못하고 또 무지개는 금방 사라져 버린다. (-223-)

친구와 함께 둘이서 호스 3~4개를 들고 정처 없이 하늘로 고루고루 물을 뿌리면 된다. 주변의 시선을 의식하지 않고 꿋꿋이 부려 보라. 순간 희미하게 무지개가 나타날 것이가. 무지개가 작게 보여 불만이라면 내 위치에서 좀 더 먼 곳에 물을 뿌리면 된다. 그러면 무지개가 좀 더 커 보인다. 대신 일부만 보일 것이다. 더 웅장한 무지개를 보고 싶자면 이제 호스로는 택도 없다. 소방서에 전화해서 소방차 몇 대로 하늘 높이 물을 뿌려야 한다. 그러면 거대한 무지개를 관찰할 수 있다. (-237-)

맑은 하늘에 보이는 무지개를 보면, 하늘로, 카메라를 들이댄다. 카메라 하나로,기분이 상쾌하다. 무지개는 평화로움과 행복으로 이어진다. 한편 무지개는 과학자들에게 연구대상이었다. 아리스토텔레스는 뉴턴의 무지개 이론 이전까지 무지개에 대해과학적 상식으로 굳어졌다. 그 당시 일반인에게, 무지개는 성스러운 존재였고,하늘과 인간을 연결하는 하나의 통로라고 생각해왔다. 맑은 날, 호숫가를 가면, 무지개가 보이고,가까운 댐에도 무지개를 볼 수 있다. 무지개의 본질이 태양에 비추어진 물방울이기 때문이다. 단 무지개가 생성되는 원리는 이 책에 소개되고 있으며,어릴 적 호수로 물장난을 할 때,우연히 발견한 무지개를 보며서, 흥미로웠던 기억도 있다. 책에는 무지개의 원리에 대해서, 원소의 구조까지 분석할 수 있다.

뉴턴이 발견한 미적분학은 무지개의 물리학적 원리를 이해할 수 있는 획기적인 발견이었다.하지만 뉴턴(1643~1727년) 이 살았던 시기에는 미적분을 이해할 수 있는 사람이 극소수였다.물론 뉴턴의 무지개의 과학적 원리를 이해하는 이들도 소수였다. 하지만 과잉 무지개가 갑자기 등장하였다. 그 과잉 무지개를 이론적으로 풀어낸 영국의 물리학자 토머스 영도 등장하였다.그는 빛의 입자성에 더해 파동성을 발견하였고,그것이 무지개의 새로운 원리를 발견하게 된 과학적 진리를 얻을 수 있었다.

지금 우리는 무지개를 볼 기회가 줄어들고 있다. 도시로 갈수록 불순물이 많아서,무지개가 생성될 환경이 만들어지지 않는다. 물이 있는 곳, 호숫가,시골에서, 안개 낀 날씨에 무지개가 나타나고, 그것이 흥미로운 사진으로 관찰이 되고 있다. 이 책에는 무지개를 사진 찍어서 인스타그램에 올리지 말고, 무지개의 과학적 원리를 이해하는 것, 그것이 우리가 원하는 과학적 진리와 연결하고 있다. 작성자 가시고기사랑