아는 만큼 보이는 세상 : 물리편

아는 만큼 보이는 세상 : 물리 편 - 사진과 그림으로 단번에 이해하는 81가지 친절한 물리 안내서 ㅣ 아는 만큼 보이는 세상
송경원 옮김, 가와무라 야스후미 외 감수 / 유노책주 / 2023년 2월

저자 가와무라 야스후미는 고등학교 물리 교사로 20년간 근무하며 교토대학에서 박사학위를 받았다.

현재는 도쿄이과대학 이학부 제1부 물리학과 교수다.

저자가 일본 사람이다.

역시나 책의 구성이 보기 너무 좋고 재미있다.

일본 출판사의 유행이 이런 형식인건지 상당히 궁금하다.

일상에서 수많은 자연 현상과 만난다.

세상에는 우리가 아직 알지 못하는 물질이 많다.

아름다운 자연 풍경을 보면 왜 그렇지라는 의문이 든다.

하늘의 색은 무지개 색 순서대로 변한다.

태양이 지평선과 가까워질수록 하늘은 붉게 보인다.

우리 눈에는 태양 빛이 하얗게 보이지만 사실 그 안에는 빨간색, 주황색, 노란색, 초록색, 파란색, 남색,보라색 등 일곱 가지 색의 빛이 섞여 있다.

일곱 가지 색의 빛이 모두 합쳐져 우리 눈에 하얗게 보이는 것이다.

빛들은 파동의 형태로 움직이는데 색깔별로 파장이 다 다르다.

빨간색에 가까울수록 빛의 파장이 길고 보라색에 가까울수록 짧다.

지구를 둘러싼 공기층을 통과해 지구에 도달하는 과정에서 공기 중의 산소, 질소 같은 입자와 부딪혀 여러 방향으로 흩어지는 성질이 있다.

이 현상을 레일리 산란이라고 부르는데 빛의 파장이 짧을수록 산란이 잘 일어나는 특성이 있다.

해가 머리 위에 떠 있는 낮 시간에는 태양에서 출발한 빛이 지면에 도달하기까지의 거리가 비교적 짧다.

파장이 짧은 파란색 빛이 공기 중에서 여기저기로 산란한다.

우리 눈에 낮 동안 하늘이 파랗게 보이는 이유이다.

해 질 무렵에는 태양에서 출발한 빛이 비스듬하게 내리쬐기 때문에 지면에 도달하기까지의 거리가 길어진다.

낮 시간에 비해 긴 거리의 공기층을 통과하게 되므로 공기 입자에 부딪혀 거의 다 산란한 파란색 빛은 사라지고 파장이 길어 산란이 잘 일어나지 않는 빨간색 빛만 지면에 도달하는 것이다.

이것이 노을이 붉게 보이는 까닭이다.

음,,, 잘 알겠다.

어떤 각도에서 보든 구름은 하얗다.

구름은 색이 없다.

구름은 물 등의 수많은 입자가 모여 만들어진다.

물 등의 입자는 공기 입자보다 크기가 크기 때문에 태양 빛이 구름을 통과하면 모든 색의 빛을 다 산란시켜 버린다.

산란된 모든 색의 빛이 합쳐져 우리 눈에 하얀색으로 보이는 것이다.

한낮에 태양이 하얗게 빛나지만 실제로는 여러 가지의 빛이 섞여 있다.

여러 가지 색의 빛이 모두 섞이면 우리 눈에 하얗게 보이는 것이다.

산란은 파동이나 입자선이 물체와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 현상이다.

바다하면 가장 먼저 떠오르는 색은 파란색이다.

먼저 파란색을 반사하기 때문이다.

공기 중에는 산소나 질소 같은 작은 입자가 무수히 떠 있는데 태양 빛은 이 입자들과 부딪히면 여러 방향으로 흩어진다.

파란색이나 보라색 빛은 파장이 짧아 산란하기 쉬워 다른 색 빛보다 훨씬 많이 흩어진다.

우리 눈에 하늘은 물론 하늘이 비친 바다까지 파랗게 보이는 것이다.

빛을 흡수하는 물 분자의 성질 때문이다.

발간색, 주황색, 노란색 빛은 바다에 닿는 순간 물에 금방 흡수된다.

빨간색 계열과 반대되는 파란색 계열의 빛은 바닷물을 통과해 바닷속의 물질이나 플랑크톤 등에 부딪히며 반사, 산란하는데 이로 인해 바다가 파랗게 보인다.

일출 전이나 일몰 후 얼마 동안 태양은 보이지 않지만 하늘이 희미하게 밝은 시간대를 박명이라고 한다.

이 시간대에는 그림자가가 한없이 길어지고 하늘의 색이 마법처럼 시시각각 변한다.

아름답고 환상적인 하늘의 풍경을 사진으로 담을 수 있기 때문에 매직아워라고 한다.

박명은 태양이 지평선 아래에 있더라도 일부 빛이 상층 공기중에서 반사, 산란하여 발생하는 현상이다.

아름다운 박명을 보고 싶다면 일출 직전 일몰 직후의 시간대를 노린다.

동굴은 빛이 닿지 않는 어두운 공감이다.

이탈리아의 카프리카섬이나 일본의 오키나와에는 수면이 파랗게 빛나며 어두운 동굴 안을 파란색으로 물들이는 푸른 동굴이 있다.

이런 동굴은 바닷물이 밀려드는 해안에 위치한다.

동굴에는 입구보다 수면 아래에서 더 많은 태양 빛이 들어온다.

동굴 안에서는 주변보다 바닷물 속이 더 밝다.

바닷속에서는 파란색 빛이 반사, 산란하므로 수면은 마치 스스로 빛을 내는 듯 파랗게 빛나며 동굴 안을 환하게 밝힌다.

어둑어둑한 밤바다를 항해할 때 옛날에는 달빛과 등대 불빛을 길잡이로 삼았다.

세계 최초의 등대는 기원전 280년 고대 이집트 알렉산드리아 항구의 입구에 세워진 파로스 등대하고 알려져 있는데 이 등대는 높이는 135m나 되었다.

19세기까지는 등대의 불빛을 밝히기 위해 주로 식물성 기름이나 석유를 이용했지만 20세기에 접어들면서는 대부분 백열등으로 바뀌었다.

현재는 led를 사용하는 등대도 늘었다.

등대의 불빛은 전구 앞에 놓인 프레넬 렌즈를 통해 한곳에 모인다.

이렇게 모인 빛은 일직선으로 나아가므로 멀리까지 전달된다.

프레넬 렌즈는 두껍고 무거운 볼록렌즈 대신 볼록렌즈의 표면 부분만 모아서 조합합 것이다.

두꺼운 볼록렌즈와 기능은 같지만 얇고 가벼우므로 전 세계의 등대에 사용되고 있다.

태양 빛에는 빨간색에서 보라색까지 여러 가지 색이 섞여 있다.

빛은 공기 중에서 물속이나 유리 등 다른 물질로 들어갈 때 꺾이는 성질이 있다.

빛은 색에 따라 꺾이는 각도가 다르다.

비 갠 직후처럼 공기 중에 많은 물방울이 떠다니고 있을 때 태양을 등지고 서면 태양 빛이 물방물에 부짇혀 일곱 가지색으로 나뉜 무지개를 볼 수 있다.

태양 빛이 물방물 속에 들어갔다가 빠져나올 때 빨간색부터 보라색까지 여러 색으로 분해되기 때문이다.

공기 중에 물방물이 넓게 퍼져 있으면 그만큼 큰 무지개가 뜬다.

무지개는 지면에서 42도부근에서 보인다.

아침에는 서쪽 하늘, 저녁에는 동쪽 하늘에서 쉽게 찾을 수 있다.

태양이 머리 위에 떠 있는 낮에는 지면과의 각도가 42도를 넘기기 때문에 무지개를 보기 어렵다.

무지개는 원형인데 아랫부분이 지면에 가려 반원 형태로 보인다.

비행기를 타거나 등산 중 절벽에 서면 아랫부분까지 둥근 무지개를 볼 수 있다.

무지개를 일곱 가지 색으로 인식하지만 나라마다 색의 개수를 다르게 다섯 가지 색이나 여섯 가지 색으로 표현하는 나라도 있다.

얼음 위가 미끄러운 이유는 신발과 얼음의 표면 사이에 생기는 얇은 물막 때문이다.

물의 막이 생겨나는 이유는 압력 때문이다.

얼음은 압력을 받으면 물로 변하는 성질이 있다.

얼음이 물로 바뀌는 온도를 녹는점이라고 하는데 얼음은 압력을 받으면 녹는점이 낮아져 물로 변하다가 압력이 사라지면 다시 얼음으로 돌아간다.

이런 현상이 복빙이다.

이 복빙의 작용으로 얼음 위를 걸으면 순간적으로 발밑에 얇은 물막이 생겨 미끄러진다.

얼음 표면에 물막이 존재한다는 것이다.

얼음 내부에는 물 분자 1개가 다른 물 분자 4개와 수소 결합해 서로 잘 달라붙어 있는데 얼음 표면에는 2개 혹은 3개의 수소 결합을 한 물 분자가 존재한다.

얼음 표면의 아래는 얼음이고 위는 공기이기 때문에 다른 물 분자와의 결합이 약해진다.

얼음 표면에 영하의 온도에서도 액체 상태를 유지하는 물층이 존재하게 된다.

구름이 만들어지려면 위쪽으로 향하는 공기의 운동인 상승 기류가 있어야 한다.

지상에서 공기가 데워지면 가벼워져 위로 상승하거나 따뜻한 공기 덩어리와 차가운 공기 덩어리가 부딪혀서 만들어지기도 한다.

위로 올라갈수록 기압이 낮아지므로 상승한 공기 덩어리는 팽창해서 온도가 내려간다.

단열팽창은 외부에서 열을 가하지 않는 상태에서 공기를 팽창시키면 온도가 내려가는 현상이다.

단열팽창에 의해 상승한 공기 둥의 수증기가 응축하면서 구름이 만들어진다.

상공에서 온도가 내려가 공기 덩어리가 최대한 머금을 수 있는 수증기의 양을 넘게 되면 공기 중의 먼지 등 응결핵을 중심으로 수증기가 뭉치고 이렇게 만들어진 물이나 얼음 입자가 구름이 된다.

습할 때는 낮은 위치에서 구름이 만들어지고 건조할 때는 높은 상공까지 상승해야 구름이 만들어진다.

오늘날 우주는 아무것도 없는 상태에서 저절로 생겨난 것으로 받아들여진다.

난 우주는 하나님이 만들었다고 믿는다.

우주는 빅뱅의 순간에 탄생했다.

이후 생겨난 물질이 모여 별들이 형성되었다.

초기의 우주는 인플레이션이라는 급팽창으로 급격히 크기가 커졌다.

우주의 나이는 다양한 관측을 통해 얻은 우주의 팽창률, 원소 등의 양을 바탕으로 계산할 수 있다.

현재 우주의 나이는 137.99억 살로 추정된다.

난 우주의 나이는 하나님이 만든 날부터라고 생각한다.

이 책은 너무너무 재미있고 금방 이해가 잘 되게 사진과 그림으로 설명을 잘해준다.

이런 시리즈도 생물도 있었으면 좋겠다는 생각이 들 정도로 마음에 드는 책이다.