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빛의 다양한 속성과 광기술의 미래를 이야기하다!

지식의 양보다는 핵심이 되는 개념을 선별하고 그것이 어떤 원리로 이루어져 있고 어떻게 적용할 수 있는지를 또렷이 알게 하는 청소년용 과학 시리즈 「과학 쫌 아는 십대」 제5권 『빛 쫌 아는 10대』. 디스플레이와 레이저 분광학 분야에서 교육 및 연구에 매진하고 있는 한림대 나노융합스쿨 고재현 교수의 첫 번째 과학 교양서로, 공기처럼 당연하기만 한 존재인 빛에 대해 과학자들이 쌓아 온 지식을 짧은 여행을 하듯 그려 낸 책이다.

선사 시대에 밤을 밝히고 짐승의 위협으로부터 인간을 지켜 주던 빛에서 공간과 시간의 한계를 극복하고 활동 무대를 넓혀 준 빛, 정보를 실어 나르고 나아가 인류의 기원과 미래를 밝히는 실마리가 되어 주는 빛까지. 빛을 따라 가는 숨 가쁘면서도 흥미롭게 이어지는 여정을 담고 있다. 저자는 빛이 가지고 있는 다양한 속성, 즉 빛은 파동이면서 입자로서 행동하고, 직진하면서도 꺾이고, 다양한 파장대로 분산되는, 빛의 다양한 성질에 대하여 충실하게 설명하면서 현대과학에서 핵심적인 속성을 응용 분야와 연결하여 흥미롭게 소개한다.

풀빛의 청소년 교양 과학 시리즈 〈과학 쫌 아는 십대〉의 다섯 번째 책.《빛 쫌 아는 10대: 우리는 모두 빛의 후예》는 공기처럼 당연하기만 한 존재인 빛에 대해 과학자들이 쌓아 온 지식을 짧은 여행을 하듯 그려 낸 책이다. 선사 시대에 밤을 밝히고 짐승의 위협으로부터 인간을 지켜 주던 빛에서, 공간과 시간의 한계를 극복하고 활동 무대를 넓혀 준 빛, 정보를 실어 나르고 나아가 인류의 기원과 미래를 밝히는 실마리가 되어 주는 빛까지. 빛을 따라 가는 이 여행은 숨 가쁘면서도 흥미롭게 이어진다. 디스플레이와 레이저 분광학 분야에서 교육 및 연구에 매진하고 있는 한림대 나노융합스쿨 고재현 교수의 첫 번째 과학 교양서다.

빛은 오랫동안 과학자들의 탐구 대상이었다. 하지만 과학자들도 빛의 성질이 이토록 놀라울 정도로 다양한 분야에서 쓰일 줄은 몰랐을 것이다. 빛은 오늘날 정보통신 사회에서 가장 핵심적인 역할을 한다는 점에서, 과학자를 꿈꾸는 십대는 물론이고 과학기술이 지배하는 사회에서 주체적으로 살아가고자 하는 시민에게 중요한 탐구 대상이다. 《빛 쫌 아는 10대》는 빛이 가지고 있는 다양한 속성들 중, 현대과학에서 핵심적인 속성을 응용 분야와 연결하여 흥미롭게 소개한다. 직관적으로 이해하기 어려운 내용은 익숙한 상황과 비유하기도 하고, 혹은 일반인의 수준에서 이해할 수 있는 부분까지만 과감하게 축약하여 설명하기도 했다.

빛은 파동하면서도 입자처럼 행동한다. 빛은 직진하면서 꺾이기도 하고, 때로는 에돌아간다. 빛이 있어서 사람은 세상의 아름다움을 시각 정보로 받아들일 수 있지만, 한편으로 보이지 않는 빛에 영향을 받기도 한다. 빛은 이처럼 어긋나 보이는 현상을 동시에 품고 있기도 하고, 여전히 많은 비밀을 숨기고 있는 것 같기도 하다. 이 책은 이러한 빛의 매력을 한껏 드러내어, 마치 새로운 차원에 들어선 것 같은 경이로움을 느끼게 한다. 인간을 물질세계로 인도하는 안내자, 활동 무대를 극적으로 넓혀 준 존재, 세계를 연결해 준 인류의 혈관. 이러한 빛의 별명을 하나하나 알아 가는 과정은, 빛에 대한 순수한 호기심과 자유로운 상상을 마주하는 즐거운 경험이 될 것이다.

밤을 밝혀 주던 초기의 빛에서 현대물리학의 핵심이 된 현재의 빛까지

레이저 프린터, 슈퍼마켓의 바코드 스캐너, 라식 수술, 인터넷 광통신망, 엑스레이, 천체망원경… 이것들의 공통점은 무엇일까? 바로 빛의 속성을 활용한 과학기술의 결과물이라는 점이다. 우리가 보는 빛은 8분 전 태양을 떠난 빛이다. 빛은 지구에 도착해 에너지원이 된다. 사람이 만든 인공 광원은 원시 시대에는 밤을 밝혀 주었고, 점차 활동 무대를 넓히는 데 결정적인 역할을 했다. 빛이 있어서 우리는 사물을 인식할 뿐 아니라 수많은 첨단 기술의 결과물을 누리며 산다. 세계를 잇는 광통신망 덕분에 거리의 한계를 극복했고, 지구가 당면한 가장 심각한 환경 문제인 지구온난화나 에너지 문제의 실마리 또한 빛을 이용한 광기술에서 찾고 있다.
빛은 지금까지도 그래 왔으나 앞으로는 더더욱 문명을 밝히는 주역이 될 것이다. 그렇다면 빛을 이용한 광기술의 달콤한 결과물만 따 먹는 데서 그치지 않고 광기술의 배경과 발전 경로를 탐색해 보는 데에는 어떤 의미가 있을까? 과학기술이 발전할 때 대다수 사람들은 방관자가 되기 쉽다. 고도로 발달할수록 일반인의 이해 범위에서 너무 멀리 나간다는 문제도 있다. 하지만 어떤 과학자들은 그래도 자꾸만 과학을 대중에게 알리고자 한다. 특히 자라나는 세대에게는 더더욱 그러하다. 왜냐하면 기술이 발달한 시대를 살아가는 당사자로서 과학 발전이 인류의 행복을 향하고 있는지를 감시해야 할 필요가 우리에게는 있기 때문이다. 감시한다는 것은 과학 발전에 끌려 다니기만 하지는 않겠다는 의지의 표현이다. 그런 의미에서 현대 사회를 살아가는 시민이라면 누구라도 과학에 대해 최소한의 지식을 갖출 필요가 있다. 《빛 쫌 아는 10대》는 십대가 과학기술, 그중에서도 광기술이 주도하는 시대를 주체적인 시민으로서 살아갈 수 있도록 기초적인 지식을 전달하고자 하는 데 목적을 두고 있다.

빛은 세상을 이해하는 가장 강력한 수단

물리학에서 다루는 빛은 이해하기가 쉽지 않다. 빛의 이동 같은 속성을 직관적으로 이해하기 어려울뿐더러 지금까지 제대로 규명되지 않은 부분도 많다. 상대성이론이나 양자역학은 현대물리학의 핵심이라지만, 어렵기로 악명이 높다. 그런 면에서 《빛 쫌 아는 10대》는 읽을수록 빛난다. 다양하고 풍부한 어휘로 익숙한 상황에 빗대어 설명하고자 하는 저자의 노력은, 빛의 속성이 현대 과학에서 어떻게 사용되고 있는지와 이어져 세상의 퍼즐을 맞추는 기분이 들게 한다.
빛이 프리즘을 통과하면 무지개 색을 띠는 다양한 색깔들로 분산된다는 지식을 얻었다 치자. 거기에 무슨 쓸모가 있을까? 과학 교과를 공부할 때 이런 질문을 품어 보지 않은 사람은 거의 없을 것이다. 이 책은 빛이 다양한 색깔들로 분산되는 성질을 이용해 ‘분광학’이라는 분야가 발전하였고, 이를 이용하여 아주 먼 과거의 비밀을 탐색할 뿐 아니라 인간의 활동 무대를 우주로 확장할 가능성을 엿보고 있다고 설명한다. 빛의 속성을 안다는 것은 과학기술로 무장한 현대사회를 이해하는 필수적인 재료임을 알려 주는 것이다.
빛이 없다면 세상은 어떻게 보일까? 인간은 시각 정보로 외부의 정보를 상당 부분 처리한다. 그만큼 본다는 것, 즉 시각은 우리가 세상을 인식하는 가장 강력한 수단이다. 여기에 가장 결정적인 역할을 하는 것이 빛이다. 그래서 현대과학은 가장 아름답고 자연스러워 보이는 디스플레이를 개발하고 인공 광원을 개발하는 데에 기술력을 키워 왔다. 빛을 원하는 방향으로 보낼 수 있는 광통신망을 구축하여 세계 구석구석에 정보를 나르기도 한다. 빛의 성질을 이해했기 때문에 태양에 가지 않아도 태양의 대기 성분을 알 수 있고, 도저히 닿을 수 없을 정도로 먼 거리에 있는 행성의 환경도 알아낼 수 있다. 이 모든 것이 빛을 이용한 광기술의 결과다. 요컨대 빛은 우리가 세상을 이해하는 데 가장 강력한 수단이다.

빛의 속성을 이용한 사례 하나, 광통신망

휴대폰이 없고 모르는 것을 검색할 수 있는 인터넷이 없는 세상을 이제 상상이라도 할 수 있을까? 그런 상황은 이제 ‘재앙’이라고 부를 수밖에 없을 것이다. 정보를 공유하고 전파하는 데 가장 핵심적인 역할을 한 것은 광기술을 이용한 광통신망이다. 오늘날 지구의 바다 밑바닥에는 엄청난 길이의 광통신망이 깔려 있는데, 광통신망이 작동하는 데에는 광섬유가 핵심적인 역할을 한다. 광섬유는 빛이 반사하는 속성을 활용하여 원하는 방향으로 빛을 전달하되, 빛이 광섬유에 흡수되지 않고 먼 데까지 나아갈 수 있도록 고안한 장치다. 이때 정보를 전달하는 빛은 파장이 긴 적외선이다. 이렇게 디자인한 광통신망을 이용하여 이진수의 신호를 끊임없이 주고받으며 정보가 곳곳에 흐르게 되었다. 이로써 세계는 물리적인 한계를 상당 부분 극복하게 된 것이다. 그래서 광통신망은 ‘인류의 혈관’이라고도 부른다.

빛의 속성을 이용한 사례 둘, 중력파 검출

노벨물리학상은 빛을 이용한 과학이 어떻게 발전했는지 보여 주는 바로미터라고 할 수 있다. 2017년 노벨물리학상은 중력파를 검출해 낸 세 사람의 물리학자(킵 손, 라이너 바이스, 배리 배리시)에게 돌아갔다. 중력파는 “블랙홀처럼 상상할 수 없을 정도로 무거운 물체들이 충돌해 합쳐질 때 발생한다는 ‘시공간의 떨림’”(95쪽)이다. 2016년에 검출한 중력파는 13억 년 전 두 개의 블랙홀이 합쳐지며 발생한 것으로, 이를 검출해 냈다는 것은 첫째, 100년도 전에 아인슈타인이 내놓은 일반상대성이론을 입증한 셈이며, 둘째, 이를 계기로 우주의 시공간에 대해 정확한 정보를 알아낼 수 있게 되었다는 의미를 갖고 있다. 중력파를 검출한 데에는 빛의 간섭이라는 현상이 토대가 되었다.

빛의 속성을 이용한 사례 셋, 일상에서 만나는 거의 모든 것

빛의 파동이 만들어 내는 아름다운 회절 무늬, 빛의 삼원색이 이루는 교회의 성스러운 스테인드글라스 창, 빛이 굴절하여 하늘을 곱게 채색하는 무지개, 언제 어디서든 사람들이 소통할 수 있게 만든 와이파이, 블루투스, 대상의 위치를 확인할 수 있는 GPS, 사람의 생명을 구하는 엑스선, 치료에 이용하는 레이저, 우주의 비밀을 탐색하는 전파망원경 등 모두 빛의 속성이 일궈 낸 현상, 또는 결과물이다. 애써 찾지 않아도, 어두운 밤 전등을 켜거나, 새벽녘에 창문으로 쏟아지는 희미한 빛으로 빛을 만난다.

이 책의 특징

물리 교과에서 빛에 관한 부분은 직관적으로 이해하기 어렵다. 거울에 비치는 물체의 상은 물체에서 출발한 빛이 반사되어 망막에 이미지로 맺히지만 사람은 거울에서 직선으로 사물의 이미지가 뇌에 도착한다고 느낀다. 사람이 인지하는 색깔은 다양한 파장 대역의 빛들이 섞이거나 반사된 결과지만, 그 과정은 인지하지 못한다. 그러므로 빛을 이해하기 위해서는, 실제로 경험하지 못하는 과정을 배워야 한다는 뜻이다. 경험할 수 없는 것을 배우기란 어려울 수밖에 없다. 이 책은 빛이 가지고 있는 다양한 속성, 즉 빛은 파동이면서 입자로서 행동하고, 직진하면서도 꺾이고, 다양한 파장대로 분산되는, 빛의 다양한 성질에 대하여 충실하게 설명하되 이러한 속성이 현대의 광기술과 이루는 접점을 구체적으로 소개한다.
인류는 효율적인 인공광원을 찾아 끊임없이 연구를 해왔는데, 그 결과물 중에 레이저가 있다. 레이저 증폭 기술은 핵융합을 기대해볼 수 있을 정도로 발전했다. 이는 현재 지구가 처한 가장 심각한 문제인 환경오염과 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 실마리로서 주목을 받고 있다. 빛은 파장대별로 특정 기체를 지나갈 때 통과하는 빛과 흡수되는 빛이 있다. 이를 이용해 인류는 직접 가보지는 않았어도 태양이나 다른 행성의 대기 구성 요소를 유추할 수 있다. 이렇듯 난해한 물리학의 개념 정리만으로 그치지 않고, 이것이 실제로 과학기술에서 어떻게 응용되는지를 구체적으로 기술했다. 노벨물리학상의 역사가 빛의 역사와도 통한다는 점에서 착안하여, 몇몇 수상 사례와 광기술의 발전 사례를 이어 붙여 설명한 점도 특별한 부분이다.

아인슈타인의 이런 상상, ‘빛의 속도로 달릴 수 있다면, 빛은 어떻게 보일까?’

빛의 역사에서 출발선에 선 과학자들이 있었다. 그들은 순수한 호기심으로 빛을 보기 시작했을 것이다. 현대물리학에서 가장 중요한 족적인 상대성이론을 남긴 아인슈타인은 이런 질문을 하곤 했다고 한다. ‘빛의 속도로 달릴 수 있다면, 빛은 어떻게 보일까?’ 이런 질문이 어떤 결과로 이어질지는 과학자 자신도 알지 못했을 것이다. 다만 호기심에 집요하게 매달렸을 뿐이다. 우리는 이러한 순수한 호기심의 과실을 따 먹고 산다고 해도 과언이 아니다.
빌헬름 뢴트겐의 호기심이 아니었다면 자외선 영역대 바깥에 있는 엑스선을 발견하지 못했을 것이다. 이후 엑스선이 수많은 사람들의 목숨을 살리게 된 것은 그다음의 일이다. 진동을 관찰하고 속성을 연구한 과학자가 없었다면 지진이나 해일 같은 자연재해가 닥쳤을 때 위험성을 측정하고 공유하지 못했을 것이다. 빛의 파동이 서로 만나 일으키는 간섭 효과에 대해 알지 못했다면 중력파라는, 13억 년 전에 행성이 충돌하며 일으킨 ‘시공간의 떨림’을 측정하는 경이로운 경험도 하지 못했을 것이다. 물리, 화학, 지구과학 등 순수과학을 다루는 〈과학 쫌 아는 10대〉 시리즈는 이처럼 목적 없이, 어떤 변화를 일으킬지 가늠하지 못한 채 시작된 관심이 세상을 풍요롭게 만들고 아직까지 풀지 못한 비밀들을 드러내고 있음을 보여 주는 시리즈다.

더 높은 단계로 도약하는 열띤 과학 토론의 장 [과학 쫌 아는 십대]

‘2015 개정 교육 과정’은 자주적이고 창의적이며 더불어 사는 인간상을 추구한다. 그 가치관 아래 교과별 핵심 개념과 원리를 중심에 두고 인문?사회?과학기술에 대한 기초 소양 교육을 강화하면서 교과 간 통합과 융합 교육을 하는 데 초점을 맞추고 있다. 미래형 인재를 만들려는 이런 교육의 흐름에 맞춰, 풀빛은 지식의 양보다는 핵심이 되는 개념을 선별하고 그것이 어떤 원리로 이루어져 있고 어떻게 적용할 수 있는지를 또렷이 알게 하는 청소년용 과학 시리즈를 기획하였다. 핵심과 원리, 그리고 적용이라는 삼박자에 질문과 토론을 유도하는 인문학적 고찰은 중학생 독자와 현장 교사, 학부모들이 원하는 바이자 과학 공부에 대해 [과학 쫌 아는 십대] 시리즈가 목표하는 분명한 방향이다.
지금까지 첨단 과학기술인 인공지능의 실체를 현실적 문제의식과 접목해 조목조목 해부한 01번 《인공지능 쫌 아는 10대》를 시작으로, 수많은 다채로운 성분으로 가득한 세상의 본질을 탐구한 02번 《물질 쫌 아는 10대》, 일상에서 쉽게 행하는 여덟 가지 소비를 통해 환경문제를 파헤친 03번 《환경과 생태 쫌 아는 10대》, 우주론을 담은 04번 《빅뱅 쫌 아는 10대》, 빛의 다양한 속성과 광기술의 미래를 이야기하는 05번 《빛 쫌 아는 10대》까지 출간되었다. 뒤이어 《중력 쫌 아는 10대》《원소 쫌 아는 10대》《전자기 쫌 아는 10대》《유전자 쫌 아는 10대》《미래 에너지 쫌 아는 10대》《기후 변화 쫌 아는 10대》 등은 물리, 화학, 생명과학, 지구과학이라는 자연과학의 가장 기초적이면서 핵심적인 영역을 본격적으로 다룰 예정이다.

이병호(한국광학회장)
“우리는 모두 빛을 알고 있습니다. 그렇지만 빛이 무엇인지 이야기하기는 어렵습니다.” 영국의 시인이자 비평가였던 새뮤얼 존슨의 말입니다. 이 책은 그 ‘빛’을 알기 쉽게 설명합니다. 빛은 과학부터 공학까지 넓은 범위에서 중요하고 유용하게 쓰입니다. 빛에 대한 연구에는 자주 노벨상이 주어지지요. 작년에도 그랬습니다. LED 조명, LCD, OLED 등의 디스플레이, 레이저, 광통신은 모두 빛을 이용한 기술로 우리 생활에 중요한 영향을 미칩니다. 이런 빛을 향해 청소년뿐 아니라 일반 독자도 가벼운 마음으로 다가설 때 함께하면 좋을 책입니다.
(서울대학교 전기·정보공학부 교수)

정재승(뇌과학자)
빛을 이해하는 것은 우리가 살고 있는 우주를 이해하는 것과 같습니다. 빛은 우리가 상상하는 것보다 훨씬 신비롭고 매력적이며 본질적입니다. 이 책은 지난 수백 년간 물리학자들이 밝힌 빛의 놀라운 성질과 특징을 흥미롭게 서술했습니다. 청소년들에게 학교가 가르쳐야 할 가장 중요한 물리학인 빛의 매력 속에 흠뻑 빠져 보시길 바랍니다.
(《과학 콘서트》 《열두 발자국》 저자)

여는 글 빛의 세계로 떠나는 여행에 앞서

1장 기묘한 빛의 파동
우리는 파동과 너무 친한 사이 | 어느 방향으로 움직이나, 파동? | 파동 구석구석에 이름을 붙여 주자 | 파동의 속도를 계산해 보자 | 무엇이 빛을 전달하는 거야? | 빛은 파동인 동시에 입자

2장 보이는 빛 너머 보이지 않는 빛
힘센 식구, 온순한 식구, 전자기파 식구들 | 보이는 빛, 가시광선 | 빨간색 빛 너머의 빛 | 보라색 빛 너머의 빛

3장 직진하는 빛, 반사하는 빛, 꺾이는 빛
빛은 직진한다, 하지만 반사도 하지 | 이미지는 어떻게 눈으로 들어올까 | 꺾이는 빛 | 물속 물체는 왜 휘어 보일까 | 무지개 색을 만드는 빛의 굴절 | 빛 가두기, 가둔 빛 이용하기 | 빛에 정보를 싣고, 빛의 속도로

4장 밝은 빛, 어두운 빛, 휘어지는 빛
파동과 파동이 만나면 | 발밑에서 발견한 무지개의 비밀 | 13억 년 전 비밀을 드러내다 | 만나면 휘어지는 빛

5장 빛으로 칠하는 알록달록한 세상
눈과 시각 세포 | 원뿔 세포, 세상에 색을 입히다 | 색을 만드는 첫 번째 방법, 섞기 | 색을 만드는 두 번째 방법, 흡수하기 | 제대로 반사해야 예쁘지

6장 빛의 탄생과 진화
인류의 밤을 밝혀 준 전기의 역사 | 가장 먼저 등장한 백열전구 | 전기 조명의 대세, 형광등 | 전기 조명의 미래, LED | 디스플레이의 빛 | 미래에는 어떤 조명 아래에서 이 책을 읽을까?

7장 우리의 우주를 부탁해
천상의 비밀을 찾아서 | 원자의 춤, 분자의 춤 | 빛을 나누는 방법과 스펙트럼 | 원자들의 춤이 스펙트럼에 새겨지다 | 분광학은 어디에 쓸까?

8장 빛의 과학이 밝힐 새로운 세상
새로운 빛을 찾아서 | 빛으로 정보를 나르다 | 디지털 시대의 연결망 | 여정을 마무리하며

맺는 글 빛을 통해 우리의 기원으로, 그리고 더 먼 곳을 향해

덧붙이는 글 | 참고 도서