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전자기파·빛의 종류
| 이온화 전자기방사선 | 비이온화 전자기방사선 | ||||
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⟵ 짧은 파장, 높은 진동수 긴 파장, 낮은 진동수 ⟶ |
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1. 개요
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| 〈 빛이란 무엇일까?〉, 쿠르츠게작트 |
일상에서 빛은 가시광선만을 의미하지만, 물리학에서 빛은 전자기파 그 자체를 의미하기도 한다. 일반적으로 광속이라는 말을 일반인들은 가시광선의 속도로 이해하지만, 물리학자들은 전자기파의 속도로 받아들인다.[1]
2. 파장에 따른 분류
전자기파의 파장(wavelength)과 주파수(frequency)는 반비례하여, 감마선은 파장이 가장 짧지만, 초당 진동수는 가장 크다. 색깔별로 파장이 다른데, 보라색이 파장이 가장 짧고, 빨간색이 파장이 가장 길다. 그래서 빨간색 계열을 장파장, 보라색 계열을 단파장이라고 한다.|
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| 색상별 주파수와 파장 | |||||||
| <colbgcolor=#303030><colcolor=#ffffff> 구분 | 보라 | 파랑 | 청록 | 초록 | 노랑 | 주황 | 빨강 |
| 주파수 (THz) | 668 ~ 789 | 631 ~ 668 | 606 ~ 630 | 526 ~ 606 | 508 ~ 526 | 484 ~ 508 | 400 ~ 484 |
| 파장 (nm) | 380 ~ 450 | 450 ~ 475 | 475 ~ 495 | 495 ~ 570 | 570 ~ 590 | 590 ~ 620 | 620 ~ 750 |
일상적으로 말하는 빛, 즉 가시광선은 400nm에서 700nm 정도에 이르는 파장을 가진다. 전자기파 전체의 범위를 감안할 때 가시광선이 차지하는 비중은 매우 작다.
빛을 분산굴절시키면 색상이 파장에 따라 분산되어 나오는 것을 볼 수 있다. 자연현상 중의 하나인 무지개가 여기에 해당된다. 프리즘을 이용하면 같은 원리로 빛을 분산굴절시킬 수 있고, 인공 무지개가 만들어지는 것도 볼 수 있다.
이 영역에서 벗어나는 빛은 파장이 긴 쪽은 적외선, 짧은 쪽은 자외선으로 부른다.
이 가시광선 기준은 인간의 감각인 시각을 기준으로 했기 때문에 인간 입장에선 자외선이나 적외선 영역까지 볼 수 있는 몇몇 동물들 입장에서는 맞지 않는 분류이긴 하다.
3. 성질
빛은 전자기파 중에서 가시광선 영역만을 말하므로 전자기파의 특성을 그대로 따른다. 아래 서술되어 있는 빛과 그 성질 및 특성은 가시광선 영역만 한정짓는 것이 아니라 전자기파를 모두 아울러서 말한다.빛의 연구는 고전 뉴턴 물리학에서 현대 물리학으로 넘어가는 중요한 과정이다. 물리학의 거장이라 평가받는 아이작 뉴턴도 빛에 대해 여러 고민을 해 보았고, '빛은 입자이며 매우 작은 질량을 가져 측정할 수 없다' 라는 결론을 내린다. 그러나 이것으로는 빛의 회절현상을 설명할 수 없다는 것을 본인도 알고 있었기에 자신의 의견과 그 약점 모두를 프린키피아에 실었다.
물리학적인 빛이 아닌 일상생활에서 말하는 빛 즉 가시광선이 다른 전자기파와 차별되는 점은 물에서도 투과가 잘 된다는 점이다. 바다에서 처음 진화한 대다수의 동물들이 물속을 보기 위해 가시광선 영역을 볼 수 있는 눈으로 진화되었는데, 지상으로 와서도 이 눈을 유지하여 가시광선 대역 부분을 감지하게 되었다. 동물 종마다 시각으로 감지하는 전자기파의 영역이 다르지만 대부분 가시광선 영역대에 걸쳐있는 편이다.
3.1. 질량
전자기파는 광자로 구성되며 광자의 정지질량은 0이다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 볼 수 있듯이 물체의 상대론적 에너지는[math(E\equiv\gamma{mc^2})]
이며, 로렌츠 인자는
<math>\gamma\equiv \frac{1}{\sqrt{1 - {v^2\over c^2
=\frac{1}{\sqrt{1 -\beta^2}} =\frac{dt}{d\tau}</math>}}}로 정의된다. 물체의 속도가 광속에 근접하면 로렌츠 인자는 무한대로 발산하기 때문에 질량을 가진 물체가 빛의 속도로 움직이면 물체의 에너지는 무한대가 된다. 광자는 정지 질량이 0이기에 빛의 속도로 이동할 수 있는 것이다. 0이 아닌 실수 질량값의 물체는 빛의 속도에 도달하거나 넘어서는 것이 불가능하다.
3.2. 파동성과 입자성
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전자기파는 입자성과 파동성을 모두 지니고 있다. 빛의 입자성에 대해서는 광전효과 문서로 이동하고, 파동성에 대해서는 이중슬릿 실험 문서로 이동할 것. 이러한 빛의 이중적 성질 때문에 물리학계에서는 어느 저명한 학자가 "빛은 월, 수, 금에는 파동이 되고 화, 목, 토에는 입자가 되었다가 일요일은 쉰다"라고 한 썰렁한 농담이 유명하다. 빛이 입자인지 파동인지에 대한 논쟁은 과학계에서 아이작 뉴턴 이후 수백년 동안 이어진 주제였다.
뉴턴은 빛이 입자라고 주장했고 백여년간 빛의 입자설은 널리 받아들여졌다. 하지만 당대에도 입자설이 완전히 받아들여졌던 것은 아니며 크리스티안 하위헌스나 로버트 훅처럼 파동설을 지지하는 학자도 일부 존재했다. 뉴턴은 이들의 파동설을 알고 있으면서도 이를 무시하는 태도를 보였다. 뉴턴은 빛이 언제나 직진하기 때문에 빛이 파동일 수 없다고 보았으며, 빛의 입자가 망막에 충격을 주어 빛이 감각된다고 설명했다.
토마스 영은 이중슬릿 실험을 통해서 이중 슬릿에 단색광을 쐈을 때, 입자에서 나타나는 두 줄이 명확하게 그려지지 않고 파동의 간섭현상이 나타남을 확인하였다. 영의 실험은 파동설의 강력한 증거가 되었지만 파동설에 반대하는 의견도 학계에 일부 남아있었다. 1818년 프랑스 과학 아카데미는 빛의 성질에 대한 논문 공모전을 열었고 프레넬은 빛의 파동설을 담은 논문을 제출한다. 프랑수아 아라고, 시메옹 푸아송, 피에르시몽 라플라스 등이 공모전의 심사위원으로 참여하였는데 푸아송은 그림자에 밝은 점이 나타나야 한다며 프레넬의 파동이론에 반대했다. 아라고는 1819년 실험을 통해 푸아송이 말한 대로 그림자에 밝은 점이 나타난다는 것을 보였고 빛의 파동설은 완전히 받아들여지게 된다.
이후 제임스 클러크 맥스웰에 의해 빛의 정체가 전자기파임이 밝혀졌다. 그래서 한동안 빛이 파동이라고 정의되었으나 매질이 없는 진공상태 등에 있을 때의 성질은 설명할 수가 없었고[2], 그로 인해서 빛의 성질을 놓고 갑론을박이 오가던 중에 1905년 아인슈타인이 빛에는 입자성과 파동성이 동시에 존재한다는 이중성을 주장했다. 1912년 밀리컨이 광전효과를 정밀하게 측정하여 아인슈타인의 광양자 가설을 증명한다. 물질파 가설의 등장에도 매우 큰 영향을 끼쳤다.
양자역학에 따르면 실상은 모든 물질이 파동성과 입자성을 갖고 있으며, 관찰[3]이나 상호작용 등의 용어가 이를 설명하기 위해 동원된다. 자세한 것은 해당 문서로.
3.2.1. 직진성
빛의 직진성은 빛의 입자성에 따른 것으로, 빛은 지나가는 통로에 위치한 장애물에 의해 굴절, 반사되지 않는 한 제 방향을 유지하면서 공간의 측지선을 따라 나아간다.
3.3. 빛의 속력
진공에서 299,792,458 m/s. [4]지금까지 확인된 가장 빠른 속도이다. 이는 1초에 지구 둘레의 일곱 바퀴 반을 도는 속도이며, 태양에서부터 지구까지 즉 천문단위거리를 가는데 약 8분 19초가 걸린다. 음속보다 881,742배 가량 빠른 셈. 물리학에서는 빛의 속력, 즉 광속을 기호로 c라고 나타낸다. 또한 빛이 1년 동안 이동하는 거리를 광년(light year)이라 한다.[5] 1광년은 정확히 9,454,254,955,488km에 해당한다. 1년이 31536000초이기 때문이다. 또한 빛의 속도는 모든 관성계에서 일정하다. 빛의 속도가 일정하다는 성질에서 착안하여 특수 상대성 이론이 만들어졌다. 본래 지구의 둘레를 바탕으로 정의되었던 1m는 광속의 불변성을 이용해 일정시간에 빛이 진공에서 이동한 거리로 재정의되었다. 다만 비관성계, 즉 가속하는 좌표계에서는 일정하지 않다. 중력장에 의해서 '샤피로 시간 지연'이 일어나는데 이를 빛의 속도가 느려지는 것으로 해석할 수도 있기 때문이다.저 압도적인 크기의 숫자로 인해 빛의 속도가 엄청나게 보이지만, 사실 우주적 관점으로 보면 생각보다(?) 느린 편이다. 태양까지의 거리를 8분 동안 주파하는 속도이기에 우리는 8분 전의 태양을 볼 수밖에 없으며, 태양을 제외한 가장 가까운 별만 해도 무려 4광년이다. 게다가 빛의 속도는 공간 내의 정보 한정으로, 공간 자체가 극한으로 휘어버리는 블랙홀 내부에선 일반적인 물건도 빛보다 속도가 빨라질 수 있으며, 우주라는 공간 자체가 팽창하는 속도는 이미 빛의 속도를 뛰어넘었다고 보는 편이다.
지금처럼 팽창되기 전의 초기 우주의 공간을 나아가는 빛의 속도가 현재보다 더 빨랐을 것이라는 이론이 제시되기도 했다. #
3.4. 밝기
밝기를 나타내기 위해 광선속, 광도, 조도, 휘도의 개념이 사용된다.- 광선속(luminous flux): 단위는 루멘(lumen). 빛의 선속, 빛의 총량이다.
- 광도(luminous intensity): 단위는 칸델라(candela). 단위 방위각당 광선속이다.
- 조도(illumination): 단위는 럭스(lux). 단위 면적에 비춰지는 광선속이다.
- 휘도(luminance) 단위는 니트(nit). 단위 면적에서 나오는 광도이다.
일상적으로 볼 수 있는 빛 중에서 가장 강한 빛은 태양으로부터 나오는 빛이다. 하루 중 태양광이 비쳐 조도가 큰 시간대를 낮이라고 하고, 그렇지 않은 시간대를 밤이라고 부른다. 태양광의 조도가 큰 것은 태양이 우주에서 광도가 제일 밝은 별이기 때문인 것은 아니고, 태양이 지구에서 가장 가까운 항성이기 때문이다.
밤하늘의 별빛은 여러 이유로[6] 약해 보여서 인간 문명이 만든 빛에도 묻혀 잘 보이지 않는다. 육안으로 보일 만한 별들의 실제 밝기는 태양보다 훨씬 밝으나 거리가 너무 멀어 겉보기에 잘 보이지 않는 것 뿐이다. 단, 샛별같은 예외는 제외.[7]
4. 관념
주로 선이나 진리, 행운, 아름다움 등 좋은 이미지를 지닌다. 흔히 신이나 천사, 선한 것 혹은 우월한 것이 이 속성과 상관된 경우가 많다. 최고의 도덕성을 가리키는 말이기도 하고[8], 흔히 미인을 가리키는 말 중에 '빛이 난다'는 말이 있는 것만 봐도 알 수 있다. 상반되는 개념으로는 어둠이다. 덤으로 빛이 무조건 선하다는 법이 없고 빛이 가진 안 좋은 면을 뜻할 때 이를 그림자라고 일컫기도 한다. 그 밖에 광학 관련 능력으로 등장하는 경우도 있다.빛이 좋은 것으로 묘사되는 까닭은 사람의 본능과도 상관있다. 사람이라는 생물은 기본적으로 주행성이기에 밤에는 눈에 보이지 않는 야생 동물이나 자연 재해 등의 위험에서 자신을 적절하게 지키는 것이 어렵지만, 낮에는 사물을 분명하게 식별하고 위험을 쉽게 간파할 수 있게 된다. 그래서 빛을 선(善)으로 보게 된다.
별빛은 너무 약해 무슨 강한 힘을 쓰거나 하는 존재감은 별로 보여주지 않고 동화 같은 분위기를 만들어내거나 정신적 일깨움을 주는 정도로 그려진다. [9]
4.1. 예외
단, 동전에도 양면이 있듯 모든 빛이 다 좋게만 묘사되지는 않는다. 햇빛은 거의 모든 문화권에서 상당히 좋게 묘사되지만, 일부 유럽어권에서 달빛은 그 반대로 오히려 안 좋게 묘사되곤 한다. 언데드 괴물들이나 살인마가 달빛에 따라 활동하고, 짐승인간인 늑대인간이 달빛을 보고 각성하는 등, 주로 광기(狂氣)와 연관되곤 한다. 영단어 Lunatic도 미치광이를 의미하는 단어지만, 원형은 라틴어 Luna(달)의 파생으로 달빛과 연관된다. 유럽권이라해서 무조건 달빛을 부정적으로 보는 것은 아니고, 낭만의 상징이나 그리스 신화에서 드러나듯이 해와 버금가는 절대적 존재의 상징으로 묘사되기도 한다.창작물에서도 오히려 어둠을 배경으로 두는 작품( 베요네타 등)에서는 빛과 관련된 세력이 적대 세력으로 등장하고는 한다.
5. 매체
밀리터리 쪽으로 가면 가지고 있던 손전등의 빛으로 적을 당황하게 만들고 제압한다는 묘사가 많이 나오는데, 실제로도 유용한 방법이다. 총기 악세사리로 자주 쓰는 슈어파이어는 시야 확보는 물론 이런 효과도 염두에 두고 있어서 미칠듯이 밝다. 이런 빛의 공격성에 극도의 소음을 추가한 것이 모두가 익히 아는 섬광탄. (단, 등장 시기는 섬광탄 쪽이 조금 더 먼저다.)공포/호러 매체에서는 의외로 가장 큰 비중을 차지하는 것이 바로 이 빛이다. 일단 기본적으로 공포 호러 매체에서 빛은 없으면 없을수록 좋은 요소로, 보이지 않는다는 점에서 오는 공포야말로 가장 값싸면서도 효과적으로 두려움을 연출할 수 있기 때문이다. 실제로 공포 게임이나 영화를 덜 무섭게 하려면 밝은 곳에서 감상하거나 화면 밝기를 높이면 무서움이 하락하는것을 볼 수 있다. 하지만 그렇다고 해서 빛이 무조건 없기만 하면 좋은건 절대 아니다. 반대로 빛이 너무 없으면 아예 아무 것도 보이지 않기 때문. 따라서 좋은 공포 호러 매체를 만들 때는 빛의 완급과 방향 조절이 상당히 중요하다. 특히 공포 게임에서 빛의 존재는 게이머를 원하는 진행 방향으로 유도하는 안내 역할도 겸하기에 완급 조절이 더 중요하다. 주변이 온통 시커먼데 유독 빛나는 장소가 하나 있다면 인간은 안전 확보를 위해 주변이 잘 보이는 빛이 있는 공간으로 향하려는 본능이 있기 때문이다. 물론 이걸 역으로 이용해서 빛이 있는 장소인 것처럼 낚시를 하다가 갑툭튀를 준비하거나 빛조차도 불안정하게 깜박이는 연출로 공포를 더하는 변칙 연출도 가능하다. 깜빡깜빡 하고 있으니 눈에 잘 띄어서 이정표가 되기 쉽고, 분명히 저기로 가야 한다는 건 알겠는데, 접근하기는 싫어지는 광경…
연출적인 이유를 제외하고 공포 호러 매체에서 빛의 완급 조절이 중요한 또 다른 이유라면 다름아닌 돈 때문이다.(…) 주변이 어두우면 어차피 잘 안보이니 주변 디테일에 신경을 쓸 필요가 줄어들기 때문이다. 즉 허술하게 지어놓은 세트장도 빛을 차단해서 어둡게 만들면 허술함이 티가 잘 안나며, CG 그래픽도 어두운 배경을 바탕으로 제작하면 불쾌한 골짜기가 감소하는 효과가 발생한다.[10] 또한 빛을 발생시키려면 값비싼 조명과 반사판 등의 장비를 요하기 때문에 순전히 돈이 없어서 어두운 환경에서 촬영할 수밖에 없는 탓도 있다. 이로 인해 실제로 영화 감독들은 무명 시절 커리어를 공포 영화로 시작하는 경우가 굉장히 많다.
빛을 고형화시키는 하드 라이트라는 기술도 SF나 판타지에 종종 나온다. 놀랍게도 어느 정도는 이론적으로 가능하다고 한다.
5.1. 빛 속성
6. 언어별 명칭
| <colbgcolor=#f5f5f5,#2d2f34> 언어별 명칭 | |
| 한국어 | 빛 |
| 한자 | 光( 광) |
| 그리스어 | φως(fos, 포스) |
| φῶς(phôs), φέγγος(phéngos), φάος(pháos)(드물게)( 고전 그리스어) | |
| 독일어 | Licht(리히트) |
| 라틴어 | lūx/lux(룩스), lūmen/lumen(루멘) |
| 러시아어 | свет(svet), луч(luch) |
| 마인어 | cahaya |
| 몽골어 | гэрэл(gerel) |
| 베트남어 | ánh sáng, ánh |
| 산스크리트어 | प्रकाश(prakāśa), भाम(bhāma), roká- |
| 스페인어, 포르투갈어 | luz(루스) |
| 아랍어 | نُور(nūr, 누르), ضَوْء(ḍawʔ) |
| 영어 | light(라이트) |
| lēoht( 고대 영어) | |
| 에스페란토 | lumo |
| foto, lumo( 이도) | |
| 이탈리아어 | luce(루체) |
| 일본어 | [ruby(光, ruby=ひかり)](hikari, 히카리), [ruby(光, ruby=こう)](kō), [ruby(明, ruby=あ)]かり(akari, 아카리) |
| ふぃかり(hwikari), ふぃちゃい(hwicai)( 오키나와어) | |
| 중국어 | 光(guāng), 光 亮(guāngliàng) |
| 쿠르드어 | ron(론), ronî, ronahî(쿠르만지 방언) |
| 태국어 | แสง(sɛ̌ɛng) |
| 튀르키예어 | ışık |
| ایشق(ışık), آیدین(aydın)( 오스만어) | |
| 페르시아어 | نور(nur, 누르), فروغ(foruğ), شید(šid), رخش(roxš), روشنایی(rošanâyi) |
| raučah(고대 페르시아어) | |
| 프랑스어 | lumière(뤼미에르), clarté |
| 핀란드어 | valo |
| 하와이어 | lama(라마), ao(아오) |
| 히브리어 | אוֹרָה(orá), אוֹר(ór) |
| 고전 이집트어 | ḥꜣyt(hayt) |
| 고트어 | 𐌻𐌹𐌿𐌷𐌰𐌸(liuhaþ), liuhadis |
| 구자라트어 | પ્રકાશ(prakāś) |
| 라트비아어 | gaisma, guns(시적) |
| 리투아니아어 | šviesa |
| 마오리어 | rama(라마), mārama(마라마) |
| 만주어 | ᡝᠯᡩᡝᠨ(elden) |
| 몰타어 | dawl |
| 바스크어 | argi |
| 볼라퓌크 | lit |
| 아르메니아어 | լույս(luys), loys |
| 아베스타어 | raočah |
| 아이슬란드어 | ljós |
| 에스토니아어 | valgus |
| 위구르어 | يورۇقلۇق(yoruqluq), نۇر(nur, 누르) |
| 인도유럽조어 | *leuk- |
| 체로키어 | ᎠᏨᏍᏙᏗ(atsvsdodi) |
| 카자흐어 | жарық(jaryq), нұр(nūr, 누르), сәуле(säule) |
| 켈트어파 | solas( 아일랜드어) |
| solus(고대 아일랜드어) | |
| sollys( 맨어) | |
| gouloù, luc'h, sklêrijenn( 브르타뉴어) | |
| solas, soillse( 스코틀랜드 게일어) | |
| golau, goleuni( 웨일스어) | |
| golow( 콘월어) | |
| 콥트어 | ⲟⲩⲱⲓⲛⲓ(ouōini) |
| 크메르어 | ពន្លឺ(pŭənlɨɨ) |
| 티베트어 | འོད('od) |
| 파르티아어 | rwšn |
| 힌디어 | प्रकाश(prakāś), रौशनी(rauśnī) |
| روشنی(rośnī), پرکاش(prakāś), نور(nūr, 누르)( 우르두어) | |
한국어 '빛'은 '비추다'/'비치다'의 어근과 관련이 있다. 오늘날에 '빛다'는 없지만 과거에는 '신-신다'류의 영변화이었을 수도 있다. 옻, 살갗, 및 등 ㅊ 받침을 포함한 몇 안 되는 단어 중 하나이다. 단독형에서 ' 빗', ' 빚'과 발음이 완전히 같다.
빛을 뜻하는 음성상징어로 '반ㄷ-'가 있다. 여기에서 파생한 말로 '번드르르/반드르르, 번들번들/반들반들, 번득/반득, 반딧불이, 뻔하다/빤하다', 디 → 지 구개음화를 겪은 '번질번질/반질반질, 번쩍/반짝'을 찾을 수 있다. 그리고 눈빛을 표현하는 '뻔히/빤히, 희번득, 두리번두리번' 등을 찾을 수 있다.
일본어 ひかり 역시 '빛나다'를 의미하는 光る(ひかる)의 명사형[11]이다. 다만 동사 활용형이 아닌 경우 光라고 오쿠리가나를 쓰지 않는 것이 원칙이다.
7. 관련 문서
[1]
이는 빛의 파동적 성질에 근거한 정의이다. 실제로 빛은 입자성과 파동성을 동시에 지니고 있음으로, "빛은 질량과 전하가 없고, 스핀이 1인
광자의 가시광선 영역을 일상적으로 부르는 말이다"라는 입자적 성질에 근거한 정의도 가능하다.
[2]
우주의 모든 공간을 메우고 있는 에테르라는 가상의 물질이 매질로 작용할 것이라는 가설이 있었으나,
마이컬슨-몰리 실험으로 에테르의 존재가 부정되었다.
[3]
실험조건을 엄밀한 경험적 서술로 표현하기 위해 동원된 단어인데, 이를 특정 인격체의 관찰이나 인식 등으로 이해하면 자칫
사이비철학에 빠지기 좋다.
[4]
이 뒤에 소수점 없이, 정확하게 이만큼이다. 왜냐하면 1m의 정의가 '진공 상태의 빛이 299 792 458 분의 1초동안 지나가는 거리'이기 때문이다.
[5]
광분, 광시 등의 단위도 정의할 수 있다.
[6]
이는
도플러 효과,
산란,
굴절,
흡수 등의 이유도 있지만, 가장 큰 이유는 그냥 멀리 떨어져있으니까 그럴 수밖에 없다. 빛의 세기는 거리의 제곱에 반비례하여 줄어드므로 거리가 n배 멀어지면 빛의 세기는 n2배로 어두워지는데, 가장 가까운 별인
프록시마조차도 4.2광년으로 태양보다 수십만배나 멀리 떨어져있으니 그만큼 어두워 전혀 보이지 않는 것이다.
[7]
이쪽은 별(항성)이 아니어서 스스로 빛을 내지 못한다.
[8]
질베르, 뒤랑, & 진형준. (2007). 상상계의 인류학적 구조들.문학동네,2007,p224
[9]
이는 성경에도 기록된
소돔과 고모라의 재앙이 전승된 이미지로 보인다. 최근의 연구에서는 이 시기에 실제로 소돔 근처의 염호에 외계천체가 날아들어 폭발, 호수가 증발하고 도시가 멸망했으며 인근 토지가 수백 년간 황무지가 되었다는 연구결과가 나와 있다.
[10]
대표적 사례가
쥬라기 공원 1편에서 대부분의 공룡이 비가 억수같이 내리는 밤에 등장하는 것이다. 특히 벨로시랩터 등장 씬은 의도적으로 조명을 활용하여 CG의 어색함을 감추도록 연출되었다.
[11]
정확히는 연체형