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빛을 알아가다

유럽 문화의 중추였던 고대 그리스 문명이 쇠퇴함에 따라, 물리학과 같은 학문적, 지적 탐구의 노력도 함께 위축되었다. 남아있던 소수의 그리스 학자들은 동쪽 지역^각주1) 으로 옮겨가게 된다.

빛에 관한 최초의 실험은 그리스의 천문학자인 프톨레마이오스가 당시 로마제국의 영토였던 알렉산드리아의 도서관에서 근무할 때 행한 실험이다. 이 실험에서, 빛이 공기에서 물로 투과할 때처럼 밀도가 작은 매질에서 큰 매질로 전해질 때 빛의 진행 방향이 두 매질의 경계선에서 수직 방향으로 꺾인다는 것이 밝혀졌다. 프톨레마이오스는 이것이 밀도가 큰 매질일수록 빛의 속도가 느려지기 때문이라고 생각했다.

프톨레마이오스가 눈에서 빛이 나와 볼 수 있다는 방출설에 동조하기는 했지만, 빛에 대한 그의 견해는 눈에서 나온 빛과 눈으로 들어오는 빛이 똑같은 성질을 가진다는 것이었고, 이를 기반으로 빛과 시각에 대한 독자적인 이론을 세울 수 있었다. 그러나 눈으로 사물을 본다는 것은 다만 빛이 눈으로 들어와 생기는 현상일 뿐, 눈으로 무엇인가를 내뿜거나 받아들이는 것이 아니라는 사실은 이후로도 수백 년이 더 지나고 나서야 널리 받아들여졌다. 이 중요한 발견은 1025년경에 (유럽에서는 알하젠(Alhazen)이라는 이름으로 알려져 있던) 아랍의 학자 아부 알리 알 하산 이븐 알 하이삼에 의해 정리되었다.

그의 저술 《시야[(De aspectibus(On perspective)]》는 라틴어로 번역되어 중세 유럽에서 대단한 영향력을 발휘했다. 알 하이삼은 ‘만물은 모든 방향으로 빛을 내뿜으며 이것이 온 세상을 가득 채우고 있다’고 주장했던 알 킨디와 같은 초기 아랍 과학자들의 연구를 기초로 광학 이론을 발전시켰다. 그에 따르면 눈이 사물을 인식하는 것은 빛과 색깔을 알려주는 광선이 눈에 도달해 눈이 이를 감지하기 때문이었다. 그는 또한 눈의 구조와 렌즈의 원리를 설명하고, 포물면 거울(오목 거울 종류)을 만들었고 빛의 굴절의 의미 또한 정확히 알고 있었다. 나아가 빛의 속도가 대단히 빠르기는 하지만 무한히 빠르지는 않다는 주장을 하기도 했다. 실제로 같은 시기에 활동했던 아부 라이한 알 비루니에 의해 빛이 소리보다도 훨씬 빠르다는 것이 처음 밝혀졌다.

알 하이삼의 연구는 쿠틉 알 딘 알 쉬라지와 그의 제자인 카말 알 딘 알 파리시에 의해 더욱 발전되었는데, 이들은 백색의 태양빛이 무지개 빛깔의 여러 가지 색으로 분리되는 현상을 정확히 설명했다. 비슷한 시기에 독일 교수 테오도릭은 물이 채워진 둥근 플라스크를 이용해 무지개의 원리를 밝히는 실험을 한다. 이 실험에서 그는 무지개가 태양광이 물방울에 입사되면서 굴절하고, 물방울 속에서 반사되어 공기 중으로 나오며 다시 한 번 굴절해서 나타나는 현상이라는 것을 보여주었다.

그는 이 실험을 통해 물방울을 중심으로 태양과 관찰자 사이의 각도가 물의 전반사 임계각인 42도일 때 무지개가 나타난다는 것을 정확하게 보여주었다. 그러나 테오도릭은 2차 무지개가 나타나는 원인은 알아내지 못했다. 2차 무지개는 1차 무지개와 색깔의 순서가 반대인데, 그 원인이 물방울 내부에서의 2차 반사 때문이라는 사실은 그로부터 300년 뒤 데카르트가 밝혀냈다.

신의 빛

아랍 과학자들의 저술이 라틴어로 번역되어 유럽으로 퍼져나간 것은 주로 이슬람 문화권의 무어족이 스페인을 지배하던 시대의 일이다. 이때 영국의 로버트 그로스테스테와 영국의 스콜라 철학자 로저 베이컨과 같은 초기 유럽 학자들이 광학에 관심을 갖기 시작했다. 그로스테스테가 활동한 시기는 유럽이 플라톤적 세계관에서 벗어나 아랍 문명의 덕으로 아리스토텔레스의 영향을 받기 시작하던 때였다. 그는 아리스토텔레스, 아베로에스, 아비첸나와 같은 학자들의 연구를 바탕으로 빛에 대한 연구를 계속해 나갔다.

그로스테스테가 아마 주교로 활동하고 있었기 때문이었겠지만, 그가 자연스럽게 떠올린 빛의 기원은 창세기 1장3절 ‘빛이 있으라’라는 구절이었다. 그의 생각에 창조라는 것은 빛의 덩어리가 수축과 팽창을 거듭하며 나타나는 물리적인 현상일 뿐이었으므로, 빛은 한 점의 광원에서 사방으로 퍼져나가는 둥근 모습으로 스스로 무한히 만들어진다고 주장했다. 사실 그의 연구는 물리학이라기보다는 형이상학에 가깝긴 했어도, 빛에서부터 모든 것이 생성된다는 것을 전제로 연구를 펼쳐나갔다는 점에서는 매우 독창적이었다.

일례로 그로스테스테는 다음과 같은 말로 뛰어난 독창성을 보여주었다. ‘홀수와 짝수 그리고 자연수의 합들은 모두 무한대이다. 모두 무한대이지만 자연수의 합은 분명히 짝수의 합보다 크다. 자연수의 합에는 홀수의 합까지 더해지므로.’ 이로써 그는 최초로 다중 무한의 개념을 제시한 사람이 되었다.

옥스퍼드 대학에서 파리 대학으로 자리를 옮긴 로저 베이컨은 1247년부터 1267년에 걸쳐 그리스와 이슬람권에서 작성된 광학에 관한 거의 모든 자료를 검토한 뒤 《광학(Optics)》을 출간했다. 이후에는 자신의 광학 연구 내용을 기반으로 당시의 과학 교육에 들어가 있지 않은 내용까지 포함한 새로운 실험 과학 과정을 만들었다. 그리고 과학과 언어학 연구가 신학 연구에 도움이 된다는 주장을 펼치기도 했는데, 이는 로마가톨릭이 지배하던 당시 분위기에서 교회와의 충돌을 피해 보려는 의도로 보인다.

하지만 교회는 이후로도 수백 년간 과학을 억압했을 뿐 아니라 교리에 맞지 않거나 성경의 내용에 어긋나는 과학적 진실을 주장하는 과학자들을 처형하는 데 서슴지 않았다.