소리는 왜 보이지 않나?

소리는 왜 보이지 않나? 

==광원을 직접 볼 수 없으면 빛을 볼 수 없지만

음원을 볼 수 없어도 소리는 전달할 수 있는 이유는 무엇인가?==

 

 

 

물리학에 좌절하신 분들을 위해.

 

큰 호응을 얻어 현재 5쇄를 찍고 있는 고단샤의 신간 '고등학교 물리학 다시 배우기'에서는 고등학교 물리 교과서에 등장하는 친숙한 주제를 바탕으로 물리 법칙을 도출하는 '이유'를 조사한다. <부드럽게 이해하는 천재>와 <물리학을 이해하는 평범한 사람>의 결정적인 차이를 읽기 형식으로 확신한다! 흥분! 흥분! 포기하기에는 너무 이르다!

 

이 기사에서는 <소리>가 보이지 않는 이유는 무엇인가? … 광원을 직접 볼 수 없으면 빛을 볼 수 없지만 음원을 볼 수 없어도 소리는 전달할 수 있는 이유는 무엇인가? 빛과 소리에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

 

소리를 보고 빛을 듣는 생물이 있는가?

 

위에서 언급했듯이 소리의 파장은 17cm로 높다. 해상도가 17cm(두 점을 분리하여 "두 점"으로 관찰되는 최단 거리)의 눈은 눈이 있어도 쓸모가 없다. 그러므로, 기나긴 진화 과정에서 '소리를 보는' 기관을 발달시킨 유기체가 있었을지도 모르지만, '빛을 보는' 유기체는 생존을 위해 경쟁하고 있는 것이다. 그것은 패배하고 멸종된 것이 분명하다.

 

그렇다면, 빛을 듣고 소리를 보는 생물은 전혀 없는 것일까? 아마 아닐 것이다. 우선, 빛의 파장은 주파수가 작은 파동에 충분히 길어질 수 있다. 소위 미터파는 실제로 약 1m의 파장을 가진 빛이다. 미터파는 라디오를 송수신하는 데 사용되는 전파의 파장에 대략 가깝다.

 

그 무엇도, 심지어 인류조차도 깨닫지 못한 채 <빛을 듣는> 장치를 발명하고 사용한 적이 없다. 위에서 언급했듯이 박쥐는 이미 소리를 <보는> 방법을 알고 있다. 그러므로, 우주의 먼 곳 어딘가에 소리로 보고 빛을 듣는 것이 더 편리한 행성이 있다는 것은 놀라운 일이 아니며, 그 행성에서 태어난 인간은 반드시 눈으로 보고 귀로 들어야 한다.

 

보는 것과 듣는 것에는 큰 차이가 있다는 말이 있다. 그러나 이것은 장파와 단파에서 감지할 수 있는 것이 다르다는 것을 의미할 뿐이다. 당신이 보는 빛과 당신이 듣는 소리는 파동이어야 하며, 어디에도 <큰 차이>는 없다.

 

덧붙여서, 이른바 전파는 파장이 긴 빛 = 전자파이다. 전파는 빛보다 파장이 길기 때문에 직선으로 이동하지 않고 소리처럼 주위를 맴돌고 있다. 스마트폰은 창문을 통해 들어오는 전파가 소리처럼 순환하기 때문에 실내에서 사용할 수 있다. 그렇지 않다면 스마트폰을 사용하려면 중계국의 안테나를 볼 수 있는 곳으로 옮겨야 한다.

 

스마트 폰의 전파 파장은 약 15cm이므로 2000Hz에서의 소리의 파장과 거의 같으며, 전파는 빛이 아닌 소리처럼 즉 직접 볼 수없는 장소에서도 전송할 수 있다. 이것이 전기장과 자기장의 파동인 전파가 공기의 진동인 음파와 유사한 행동을 보이고, <직접 볼 수 없어도 전달>하고, 같은 전기장과 자기장의 파동인 빛과 같이 직선으로 이동하지 않는 이유이다.

 

물리학에서는 <그것이 무엇인지>보다 <어떻게 행동하는지>가 더 중요한 경우가 많으며, 이것이 물리학을 흥미롭게 만드는 것이다.

 

현미경 및 광 둘레

 

빛은 소리보다 파장이 훨씬 짧지만 여전히 파동이다. 소리와 마찬가지로 빛도 둘레가 있다.

 

일상생활에서는 빛의 둘레를 의식하지 못하지만, 육안으로는 파악할 수 없는 미시적 세계에서는 이 빛의 둘레가 큰 문제가 되고 있다.

 

광학 현미경이라고 하는 일반 현미경에서는 관찰 대상에 빛(가시광선)을 가하고 반사된 빛을 렌즈로 확대한다. 해상도는 현미경 성능의 지표로, 두 지점이 분리되어 <두 지점>으로 관찰되는 최단 거리이다.

 

광학 현미경은 이론적으로 100나노미터 이상의 해상도를 갖지 않는다(1나노미터는 0.1mm의 1/100,000). 이는 앞서 언급한 빛의 둘레가 세포 크기의 10%에 해당하기 때문이다. 이 크기보다 작은 것은 빛이 주위를 돌기 때문에 빠져 나가고 빛이 비추고 있는지 여부조차 알 수 없다. 다른 말로 하면, 파동에서 무언가를 <보려면> 파동의 파장이 물체보다 충분히 짧아야 한다.

 

전자 현미경은 빛의 둘레 문제를 해결하기 위해 개발되었다. 전자 현미경에서는 광 대신 전자(전자빔)를 적용하여 확대한다.

 

전자 현미경에서 전자빔의 파장은 가시광선의 파장보다 훨씬 짧다. 투과 전자 현미경이라고 하는 유형에서 해상도는 이론적으로 0.1나노미터만큼 높다. 따라서 전자 현미경을 사용하면 박테리아보다 훨씬 작은 바이러스와 같은 구조를 볼 수 있으며, 이는 광학 현미경으로는 볼 수 없다.

 

* 글=다구치요시히로(田口 善弘)(中央大学이공학부 교수)

* 일본어원문=なぜ「音」は目に見えないのか？…光は光源が直視できなければ見えないのに、音 は音源が                         見えなくても伝わるのはどうしてか？

* 출처=https://news.yahoo.co.jp/articles/c3729e638688eb8cbbd9fb0267b