뉴턴 프리즘 실험 ‘햇빛은 여러색’ 밝혀

위쪽부터 시계방향으로 토마스 영, 장 베르나르 푸코, 어네스트 러더포드, 로버트 밀리컨. - 동아일보 자료사진

요즘 과학자들은 천문학적 액수의 돈이 드는 입자 가속기나 슈퍼컴퓨터로 연구를 한다. 그러나 창의적인 아이디어만으로 과학사에 빛나는 업적을 이룩한 발견도 많다.

뉴욕주립대 로버트 크리스 교수팀은 물리학자 200명에게 설문지를 보내 가장 아름다운 물리 실험 10개를 선정해 잡지 ‘피직스 월드’ 최근호에 발표했다. 선정된 실험은 모두 과학자 혼자서 아주 단순한 실험장치를 만들어 큰 발견을 한 게 특징이었다. 10개의 실험을 연대순으로 소개한다.

▽에라토스테네스의 지구 둘레 측정(7위)〓기원전 200년 경 에라토스테네스는 둥근 지구의 둘레를 측정했다. 알렉산드리아와 여기에서 남쪽으로 900㎞ 떨어진 아스완에 해시계를 두고 하짓날 정오에 해시계의 바늘이 만드는 그림자의 각도 차이(7.2도)를 쟀다. 그리고 ‘7.2도:900㎞〓360도:지구둘레’라는 공식을 통해 지구의 둘레가 약 4만㎞라는 것을 알아냈다.

▽갈릴레이의 낙하 실험(2위)〓16세기 말 갈릴레오 갈릴레이는 높은 곳에 올라가 금속공과 나무공을 떨어뜨리는 낙하실험을 했다. 두 개의 공은 똑같이 떨어졌다. 이를 통해 ‘물체의 낙하 속도는 무게에 비례한다’는 아리스토텔레스의 법칙은 휴지 조각이 됐다.

▽갈릴레이의 가속도 실험(8위)〓공을 경사면에서 굴리는 실험을 한 결과 공이 굴러간 거리는 시간의 제곱에 비례했다. 이 실험을 통해 갈릴레이는 일정한 힘을 가하면 속도도 일정하게 변한다는 가속도 개념을 확립했다.

▽아이작 뉴턴의 프리즘 실험(4위)〓유리로 만든 프리즘 속으로 빛을 통과시켜 무지개를 만들었다. 이로써 햇빛이 여러 가지 색의 혼합체라는 게 밝혀졌다.

▽캐번디시의 지구 질량 측정(6위)〓18세기 말 영국의 과학자 헨리 캐번디시는 막대기 양 끝에 작은 금속공을 달아 마치 천칭저울처럼 실로 매달았다. 작은 금속공 옆에 큰 금속공을 놓고 공 사이에 작용하는 인력에 의해 막대기가 비틀리는 정도를 정밀 측정했다. 비틀림 정도를 통해 그는 만유인력 상수를 얻었으며 이것으로 지구의 질량을 정확히 계산했다.

▽영의 빛 간섭 실험(5위)〓1803년 영국의 토머스 영은 빛이 2개의 작은 틈(슬릿)을 통과하도록 하고 그 뒤에 스크린을 놓았다. 2개의 틈을 통과한 빛은 서로 간섭을 일으켜 스크린에 줄 무늬를 만들었다. 이를 통해 빛이 파동이란 사실이 입증됐다.

▽푸코의 진자(10위)〓1851년 프랑스의 장 베르나르 푸코는 판테온의 돔에서 길이 67m의 실을 내려뜨려 28㎏의 추를 매달고 흔들었다. 실험 결과 예상대로 진동면이 일주해 지구의 자전이 입증됐다.

▽밀리컨의 기름방울실험(3위)〓미국의 로버트 밀리컨은 1909년 투명한 통에 기름을 떨어뜨리고 통의 위와 아래에 양전기와 음전기를 각각 걸었다. 전기장의 세기를 바꿔 가며 실험을 한 결과 기름방울이 가지고 있는 전하의 양에 따라 떨어지는 속도도 변했다. 이를 통해 전자 1개의 전하를 정확히 알아냈다.

▽러더퍼드의 원자핵 발견(9위)〓영국의 어니스트 러더퍼드는 1911년 금박시료에 알파입자를 쬐어 산란된 입자를 측정했다. 그 결과 일부 알파입자는 오던 방향과 반대방향으로 산란됐다. 이를 통해 원자의 중심에 양전하를 띤 작은 핵이 존재하는 것이 밝혀졌다.

▽영의 전자 간섭 실험(1위)〓과학자들은 토마스 영이 고안한 이중 슬릿에 빛 대신 전자빔을 쏘았다. 두 개의 슬릿을 통과하면서 전자는 역시 간섭무늬를 만들어냈다. 이를 통해 입자는 동시에 파동성도 갖는 게 입증됐다.

신동호 동아사이언스기자 dongho@donga.com