우주론에 관한 책을 읽다가 기초가 될만한 책을 찾아 읽고 있다. (적폐 주제로 <삼성독재> <권력과 검찰> <권력과 언론>도 같이 읽는 중이고, 제주관련 책들은 간단히 평을 남길까 고민중이다.)
문과출신이지만, 과학책을 좀 읽었다고 생각했는데도, 우주론은 생각보다 어려운 개념이 많다. 우주팽창에 대한 설명을 하면서 도플러효과를 이야기 하길래 도플러 효과에 대해 찾아봤다. 자동차소리가 다가오면 커지다가 지나가면 갑자기 소리가 줄어든다는 것은 어느 정도 알고 있었지만, 우주팽창하고 무슨 관계인지 이해가 가지 않았다.
아래 동영상 1분 35초 정도에 보이는 장면과 같이 별이 지구에 가까워지면 파장이 짧아지기 때문에 파랑색 빛을 내고, 멀어지면 빨간색을 낸다.
허블은 매일매일 안드로메다은하를 관찰했습니다. 그런데 안드로메다에서 오는 별빛이 점점 빨간빛에 가까워지는 것이었어요. 그래서 허블은 안드로메다은하가 우리로부터 멀어지고 있다는 것을 알게 되었지요.
별빛이 빨간빛에 가까워지는 것을 보고 별들이 우리로부터 멀어진다는 사실은 어떻게 알아낸 걸까요? 그것은 바로 도플러 효과 때문입니다. 모든 파동은 관측자로부터 멀어지면 파장이 길어지고, 관측자에게 가까워지면 파장이 짧아집니다.
음파(소리)를 생각해 봅시다. 달리는 오토바이에서 나오는 노래는 오토바이가 멀어지면 음이 낮게 들리고, 가까이 다가 오면 높은음으로 들립니다. 그 이유는 멀어졌을 때 파장이 길어지고 가까워지면서 파장이 짧아지기 때문이지요. 빛도 파동이므로 도플러 효과가 성립합니다. 그러니까 광원이 관측자로부터 멀어지면 파장이 긴 빨간빛이 되고, 관측자로부터 가까워지면 파장이 짧은 파란빛이 관측되는 것이 지요. 안드로메다의 별빛이 점점 빨간빛으로 관측되는 것으로 보아 안드로메다 은하가 우리로부터 멀어지고 있는 것을 알 수 있습니다. (56쪽, 호킹이 들려주는 빅뱅우주 이야기>
오스트리아의 과학자 도플러는 항성의 색 변화를 설명하기 위해 도플러 효과를 발견했지만, 이 후 도플러효과는 음파, 마이크로파가 발전했다. 파동의 원리인데, 잘은 모르겠지만(뉴턴하이라이트 파동 편을 사야 하나?)
도플러 효과는 우리가 흔히 접하는 현상이다.다만 눈 대신 주로 귀로접한다. 보도에 서 있을 때 소방차가 사이렌을 울리며 달려온다. 그런데 소방차가 우리 옆을 쌩하니 지나가는 순간 귀청을 찢던 사이렌 소리의 음높이가 갑자기 팍 떨어진다. 다가올 때의 사이렌 소리와 멀어질 때의 사이렌 소리는 확연히 다르다. 이것이 도플러 효과다. 혹시 이때 소방차의 색이 변하는 것을 눈치챈 사람도 있을까? 있다면 초능력자다. 소방차는 달려왔다 달려가면서 소리만 변하는 것이 아니라 색깔도 변한다. 두 가지 경우 모두 도플러 효과다. 소리의 변화는 누구나 느낀다. 하지만 소방차의 지극히 미세한 색깔 변화를 잡아낼 만큼 예리한눈을 가진 사람은 없다.
도플러 효과의 핵심에는 진동수와 파장이 있다. 음원이나 광원이 관측자에게 접근하거나 멀어지면, 또는 관측자가 음원이나 광원에 접근 하거나 멀어지면, 진동수와 파장이 변한다. 1842년에 이 개념을 가장 먼저 발견하고 설명한 사람이 오스트리아 물리학자 크리스티안 요한 도플러Christian Johann Doppler, 1803-1853다. 도플러 효과가 애초부터 소리의 변화를 설명하려는 용도는 아니었다. 원래는 지구에서 관측되는 항성의 상대운동 속도에 따라 항성의 색이 변하는 현상을 설명하기 위한 것이었다. 음파는 음원과 관측자 간의 상대속도에 따라 음높이가 달라지고, 광파는 광원과 관측자 간의 상대속도에 따라 빛깔이 달라진다. (39-40)
도플러 효과를 응용한 기구는 많지만, 그중에서도 유명한 것이 경찰관이 속도위반 단속 때 쓰는 레이더 건이다. 레이더 건은 들리는 소리나 보이는 빛의 도플러 효과가 아니라, 마이크로파(극초단파)의 도플러 효과를 활용한다. 마이크로파의 진동수와 속도는 음파보다 훨씬 높다. 진동수가 10GHz, 달리 말해 초당 100억 개나 된다. 레이더 건의 작동 원리는 생각보다 단순하다. 말 그대로 총처럼 손에 들고 목표물을 향 해 마이크로파를 쏘면 된다. 마이크로파는 초속 3억m의 광속으로 날아간다. 단속대상인 자동차의 속도는 이에 비하면 느리기 짝이 없다. 기껏해야 시속 70마일 정도다. 굳이 비교하자면 마이크로파는 자동차 보다 거의 천만 배는 빠르다. 레이더 건에서 발사된 마이크로파는 과속차량에 맞고 반사돼 순식간에 레이더 건으로 돌아온다. 레이더 건은 도플러 효과를 응용한 기구는 많지만, 그중에서도 유명한 것이 경찰 관이 속도위반 단속 때 쓰는 레이더 건이다. 레이더 건은 이 반사파를 잡아서 진동수를 측정한다. 도플러 효과에 따라 발사파와 반사파 사이에는 진동수 변화가 발생하고, 이 진동수 변화로 목표차량의 속도를 계산한다. 자동차 속도는 광속에 비해 지극히 미미하므로 진동수 변화도 미미하기 짝이 없다. 그렇더라도 진동수 변화를 포착해서 정밀하게 측정하는 것쯤 현대기술로는 어려운 일이 아니다. 미국 경찰이 과속차량 적발에 이 기술을 처음 도입한 것이 1954년이다.
(43-44, 세상의모든 공식)