세상을 바꾼 인물-프라운호퍼
우리를 별에 더 가깝게 이끈 과학자

2019-10-09 08:48:18

프라운호퍼와 그가 만든 분광계.


수십광년에서 수만광년 떨어져있는 별을 구성하는 원소가 무엇인지 어떻게 알가? 지금 우리는 별에서 오는 빛을 분광학적으로 분석함으로써 이 질문에 답한다.

분광학은 19세기 중엽 이후에 발전한 물리학의 한 분과인데 그 기초를 다진 사람이 19세기 초반에 활동했던 독일의 렌즈 제작자이자 광학 연구자인 프라운호퍼이다. 프라운호퍼는 현미경, 망원경, 프리즘 같은 광학기기를 만드는 장인이였지만 독학을 통해 광학 분야에 대한 지식을 쌓았고 여기에서 더 나아가 련속체라고 알려진 빛의 스펙트럼에 여러 검은 선들이 불규칙적으로 존재한다는 사실을 발견했다. 이 주제는 당시 물리학자들에게 매우 중요한 연구 주제가 되였고 분광학이라는 새로운 학문 분야를 연 결정적인 계기가 되였다.

프라운호퍼는 유리직공이였던 아버지 프란츠 프라운호퍼의 11명의 자식 가운데 막내로 태여났다. 프라운호퍼는 거의 교육을 받지 못한 채로 아버지의 작업장에 들어가서 일을 배웠다. 그런데 그가 12살이 되던 해에 부모님이 모두 사망했고 그의 후견인은 그를 독일 뮨헨에 있는 바이첼베르거라는 장인의 유리 작업장으로 보냈다.

바이첼베르거의 작업장에서 비참한 생활을 하던 프라운호퍼에게 작업장에서의 큰 사고가 새로운 기회를 제공했다. 1801년에 바이첼베르거의 작업장이 붕괴하고 프라운호퍼는 건물의 무너진 잔해 속에 깔렸는데 당시 이 소년을 구하는 구조작업이 여러 사람들의 관심을 끌었다. 그중 바이에른(바바리아)의 선제후 막시밀리안 4세 요제프는 프라운호퍼가 무사히 구출되였다는 얘기를 듣고 그에게 상당한 금액의 하사금을 선사했다. 프라운호퍼는 이 돈을 가지고 자신이 사용할 수 있는 유리 공작 기계와 광학 관련 책들을 구입했다. 그는 책을 보다가 광학을 리해하기 위해서는 수학을 배워야 한다는 사실을 알게 되였고 수학을 공부하기 시작했다.

이 사고를 통해 프라운호퍼가 알게 되였던 또 다른 사람은 당시 선제후의 정부에 상당한 영향력을 가지고 있던 기업가 우츠슈나이더였다. 우츠슈나이더는 1806년에 프라운호퍼를 베네딕트보이에른에 위치한 자신의 광학 유리 작업장에 기사로 취직을 시켰다. 프라운호퍼는 곧바로 재능을 인정받아서 1806년에는 작업장의 십장이 되고 1809년에는 광학 작업장 경리가 되였다.

당시 광학기기에 사용하는 유리 제작에서 가장 어려운 문제는 공 모양의 유리를 정확하게 깎는 것이였다. 프라운호퍼는 이런 유리를 정밀하게 깎을 수 있는 기계를 발명했다. 그리고 그는 광학기계에 사용하는 고급 유리인 플린트 유리를 제조할 수 있는 노(furnace)를 발명했다. 이 플린트 유리는 기존의 유리가 가지고 있는 불순물을 획기적으로 줄인 것이였다. 특히 천체 관측용 망원경의 크기가 커지면서 더 큰 렌즈가 필요했고 렌즈가 커질수록 그 속의 불순물이 많아질 수밖에 없다는 문제가 당시 정밀 유리 제작에서 가장 곤난한 문제였는데 프라운호퍼는 이런 문제를 해결함으로써 정밀한 광학기기 제조에 새로운 장을 열었다.

프라운호퍼의 태양 스펙트럼. 정밀한 측정 결과로 드러난 검은 선들이 수백 개 보인다.


프라운호퍼의 가장 중요한 과학적 기여는 매우 정밀한 태양의 스펙트럼을 얻어내고 이 스펙트럼에서 수백개 이상의 검은색 흡수선들이 존재한다는 것을 보인 것이였다. 이것도 광학기기의 개량의 과정에서 얻어진 성과였다. 광학기기에 사용하는 유리가 갖는 문제중 하나는 스펙트럼에서 나타나는 빨강, 주황, 노랑, 록색 등의 색갈들이 련속적으로 서서히 변하기 때문에 유리의 굴절률을 정확하게 알기 힘들다는 사실에서 기인했다. 프라운호퍼는 이런 문제를 극복하기 위해서 인공 광원을 만들어 실험을 하기도 했으며 1814년에는 프리즘과 렌즈를 사용해서 분광기를 만들었다. 그는 분광기를 리용해서 불에서 나오는 빛의 스펙트럼의 주황색 령역에서 밝은 선을 발견했고 이 선을 굴절률을 결정하는 기준으로 삼았다.

프라운호퍼는 여기에서 더 나아가 태양의 스펙트럼을 분석하는 실험을 했는데 그의 실험은 예상치 않게 태양의 스펙트럼에 574개의 검은 선이 있음을 드러냈다. 프라운호퍼 이전에 영국의 과학자 울러스턴은 태양의 스펙트럼에서 이런 검은 선을 6개 발견했지만 프라운호퍼는 이를 수백개로 확장했다. 지금 이 선들은 그 발견자인 프라운호퍼를 기리기 위해서 프라운호퍼선이라 불린다.

프라운호퍼는 당시에 이 리유를 모른 채 이 검은 선들을 정교한 색지움 렌즈를 제작하는 기준선으로 사용했다. 프라운호퍼의 실험은 렌즈 산업의 주도권을 영국에서 독일로 가져오는 데 결정적 역할을 했고 따라서 유럽 특히 영국의 물리학자들은 프라운호퍼의 실험실을 방문해서 우수한 색지움 렌즈의 비밀을 캐내려고 애를 썼다. 프라운호퍼는 자신의 실험실을 찾는 유럽의 과학자들에게 자신이 발견한 스펙트럼선의 존재를 보여주고 널리 알려야 했지만 색지움 렌즈를 제작하는 비밀은 숨겨야 한다는 딜레마에 처했다. 그는 그의 연구소이자 공장이였던 베네딕트 수도원의 구조를 리용해서 이 문제를 해결했다. 프라운호퍼는 전통적으로 수도사들이 함께 사용했던 화장실을 렌즈 공방으로 개조하고 수도사가 개인적으로 사용하던 독방을 자신의 연구실로 만들었다. 렌즈 공방은 내부 작업자들에게는 개방된 공간이였지만 외부 방문객들에게는 페쇄된 공간이였고 그의 연구실은 공장 로동자에게는 닫혔지만 외부 방문객에는 열렸다. 프라운호퍼를 방문한 외국의 과학자들은 수도사들의 공통 공간이였던 화장실, 즉 렌즈 공방에는 접근하기 힘들었고 대신 프라운호퍼의 실험이 시연되던 그의 연구실에는 자유롭게 출입할 수 있었다. 그는 이러한 공간적 구조를 리용해서 자신의 실험을 외부에 널리 알리면서 렌즈 제작의 비밀은 숨기는 데 성공했다.

프라운호퍼의 묘비.


프라운호퍼는 1820년대 초엽에 빛의 회절에 대해서도 중요한 연구를 했고 아주 정밀한 회절격자를 만들어서 빛의 각 색갈들의 파장을 정교하게 측정했다. 그는 1822년에 에를랑겐대학에서 명예박사학위를 받았고 1824년에는 바바리아의 왕으로부터 기사 작위를 받았다. 그렇지만 그는 당시 유리 제조에 관여하던 많은 사람들이 그랬듯이 작업장의 환경으로부터 기인한 페결핵에 걸렸고 이 병이 악화되여 1826년에 사망했다. 그는 스펙트럼 연구를 하면서 태양빛과 시리우스(Sirius)의 별빛을 분석해서 이 둘이 다르다는 것을 보였다. 이것은 천체분광학의 탄생을 알리는 연구라고 봐도 무방한데 이를 기리는 듯 그의 무덤 묘비에는 “그는 우리를 별에 더 가깝게 이끌었다.”고 적혀있다.


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