광학

광학의 역사

문명의 처음부터 빛은 물리학, 신학, 의학과 철학 등 다양한 학문에 걸쳐서 언급이 되었고 연구의 대상이었다. 유클리드의 저서에선 빛의 직진성과 반사법칙을 언급했고 프톨레마이오스와 아리스토텔레스도 빛의 성질을 다루었다. 중세시기의 베이컨과 비텔로와 같은 철학자들도 빛의 성질에 많은 관심을 갖고 연구를 했다. 중세 이슬람 과학자 알하이탐의 저서 광학의 서에선 직접 관찰한 빛의 다양한 성질 직진, 굴정, 분산, 반사와 같은 현상들을 기록했다. 광학의 서는 1270년 라틴어로 번역이 되었고 이 책은 유럽의 광학 연구에 큰 영향을 끼쳤다.

하지만 광학이 체계적으로 연구가 된것은 17세기 이후부터이다. 안경 제작자였던 한스가 망원경을 알리고 갈릴레이와 요하네스 케플러, 데카르트와 같은 사람들이 망원경을 발전시켰다. 당시에는 빛은 에테르라는 가상의 매질을 통해 이동한다는 에테르 설을 믿는 사람들이 대부분이었다. 이후 뉴턴이 태양광을 프리즘에 통과시켜 굴절률에 따라 색상이 변화된다는 것을 발견했고, 1704년 광학이라는 책을 내놓으면서 빛은 일종의 입자로 설명이 되었다. 하지만 크리스티안 하위헌스는 빛을 파동으로 생각했고 이를 위해 빛의 반사와 굴정을 설명하는 수리 모형을 만들었다.

빛이 입자인지 파동인지는 20세기 초까지 계속해서 논란이 되었다. 뉴턴이 입자설을 주장했지만 빛이 파동의 성질을 갖고 있기 때문이었다. 토마스 영은 이중 슬릿 실험을 통해 간섭효과를 확인하며 빛은 파동이라는 것을 증명했고 에드몽 베크렐은 전기에 의한 발광 실험과 패러데이의 자장에 의한 빛의 편광 실험을 통해 맥스웰은 빛은 전자파의 한 종류라는 사실을 알아냈다. 하지만 아이슈타인은 광전효과 실험을 통해 빛은 입자라는 것을 증명했다. 빛이 입자의 성질과 파동의 성질을 모두 갖고 있다는 것을 모순 없이 설명하는 것은 양자역학을 통해 증명되었다. 현대 물리학에선 빛은 멕스웰 방정식을 통해 전자파의 성질을 갖고 있으면서 다른 물질과 상호 작용할때 양자화된 에너지의 특성인 입자 성질을 갖는다고 설명한다.

 

광학의 분야

광학은 다양한 분야가 있고 그중 기하광학, 파동광학, 광유전학, 양자광학, 비선형광학등이 있다. 기하광학의 경우 빛의 입자성을 기본으로 두고 진공과 매질에서 빛이 통과하는 경로에 관심을 두고 연구하는 분야이다. 파동광학은 빛의 파동성을 기본으로하여 호이겐스의 원리를 바탕으로 회절과 간섭 같은 특성을 연구한다. 분광학은 빛이 매질을 지나가면서 나타나는 다양한 현상을 분석하고 이를 통해 물질의 특성을 연구하는 분야이다. 비선형 과학은 매질 안에서 강한 세기의 빛을 반사 또는 투과할때 그 빛의 진동수가 두배 또는 그 이상의 정수배에 해당되는 빛이 나오는 현상을 기본으로하여 분광학과 함께 물질의 물성연구에 응용되는 분야이다. 양자광학의 경우 양자역학을 통해 밝혀진 빛알로서의 빛의 성질을 연구하는 분야이고 최근 관심을 받는 양자컴퓨터와 관련된 연구가 진행 중인 분야이다. 광유전학은 빛을 통해 사람의 뇌를 조종하는 분야이다.

통상적으로 광학적 현상을 설명하는 방법은 첫번째로 빛을 전자기의 파동으로 생각하여 맥스웰 방정식을 통해 설명하는 파동광학과 물리광학 두번째로 빛의 직진성을 통해 기하학적 도형을 통해 설명하는 기하광학이 있다. 물리 광학은 빛의 위상과 편파와 같은 복잡한 현상을 통하여 빛의 이동경로나 운동을 정확히 예측할 수 있으나 계산이 매우 복잡하다는 단점이 있다. 빛을 받는 물체의 크기가 파장보다 충분히 크다면 기하학적 모형을 통해서도 비교적 정확한 계산값을 얻을 수 있어 간단한 예측과 같은 경우엔 기하 광학이 사용된다. 하지만 기하 광학은 빛의 간섭 효과와 회절, 위상과 같은 특성들을 무시하고 계산하기 때문에 정확한 계산값을 도출하기는 어렵다.