유네스코가 지정한 '빛과 광학기술의 국제년 '국제광년'

2015년은 유네스코가 지정한 '빛과 광학기술의 국제년(국제광년). 1000년 전, '광학의 아버지'라고 불리는 이븐 알하이삼에 의한 빛의 굴절과 반사 등 광학의 기초를 마련한 연구와 1905년 아인슈타인에 의해 빛을 양자로 취급한 광전 효과에 관한 이론을 발표했고 1915년에는 빛의 진행방식을 포함한 장의 방정식을 도출한 일반상대성이론을 완성시키는 등 광과학에 있어서 역사적인 이정표를 달성한 해이기도 하다.

1월 19, 20일 프랑스 파리에서 오프닝 세레모니가 개최되어 국제광년이 막을 열었다.

모든 것의 근원

생명은 지표에 닿는 태양광을 이용하여 진화했다. 박테리아나 식물의 광합성 작용은 빛에너지를 화학에너지로 변환하여 유기물을 합성하고 부산물로 산소를 내뿜는다. 지난 수만 년간 만들어져 온 유기물이 생태계를 지원하고 지금도 에너지와 식량으로 이용되고 있다. 말하자면, 지구상에 있는 거의 모든 생명활동의 근원은 태양에서 오는 빛에너지인 것이다.

빛을 도구로 사용하기 시작

인류는 빛을 이용하고 제어하여 생활을 편리하게 해왔다. 혁신적으로 광학이 발달한 시기는 16세기 말로 네덜란드 얀센 부자에 의해 현미경이 발명되었다. 이후 갈릴레오 등에 의해 개량된 현미경, 망원경이 활용되기 시작하여 인류는 더 작은 것, 더 먼 것을 볼 수 있게 되었다. 유럽에 퍼졌던 현미경은 정확도가 높아지면서 생물의 최소단위인 세포와 모세혈관, 적혈구가 잇따라 발견되어 생물의 미세구조가 밝혀졌다. 또한 레벤후크가 빗방울 속에서 발견한 미생물은 세균이라는 새로운 개념을 형성하였고 전염병의 예방과 치료에 기여했다.

한편, 빛이 도구로 이용되면서 빛 자체의 본성에 대해서도 관심이 높아져 갔다. 빛을 섬세한 입자로 생각한 뉴턴과 파동으로 생각한 호이겐스를 중심으로 논의가 활발해졌고 토머스 영과 프라운호퍼, 프레넬 등에 의한 실험, 이론에 의해 빛의 파동설이 유력시되어 갔다.

현미경의 발명으로부터 약 3세기 동안 현미경은 생물학 연구에 중요한 도구의 지위를 유지했다. 하지만 광학현미경으로 볼 수 있는 한계가 다가온다. 1873년 에른스트 아베가 빛파장의 절반보다 작은 것은 볼 수 없다는 이론적인 한계를 나타낸 것이다.

빛을 만들어내다

보다 미시적인 세계를 보기 위해서는 더 작은 파장의 빛이 필요하게 된 것이다. 광학현미경에서 사용하는 빛은 일반적으로 가시광선을 말하며, 그 파장은 400~700나노미터이므로 원리상 볼 수 있는 한계는 200나노미터 정도였다. 그래서 등장한 것이 빛 대신 전자를 이용하는 전자현미경. 이로 인해 볼 수 있는 이론적 한계는 단번에 1000배 이상이 되었다. 가속전압의 향상 등 기술의 발전으로 오늘날에는 원자의 모습을 포착하기에 이르렀다.

이와 비슷한 시기에 등장한 것이 방사광. 마찬가지로 전자를 이용하고 있지만 전자 자체가 아니라 거의 빛의 속도까지 가속된 전자의 궤도를 변경할 때 나오는 전자파(방사광)를 이용하고 있다. 가시광을 포함한 적외선부터 X선이라는 폭넓은 파장의 빛을 연속적으로 얻을 수 있어서, 보는 대상에 따라 어떤 파장을 선택할 수 있다는 장점이 있다. 그리고 가장 큰 특징은 레이저처럼 지향성이 매우 높고 작은 영역에 집중하여 빛을 조사할 수 있다. 동일한 영역(입체각)으로 비교하면 무려 태양의 100만 배 이상 밝은 것으로 계산된다. 원래는 소립자물리학의 실험장치로 등장한 가속기에서 성가신 존재로 취급되었던 것이다. 소립자실험의 입장에서 보면 단순한 에너지의 손실에 지나지 않는 방사광이었지만, 짧은 파장의 X선까지 고강도로 사용할 수 있어, 미시세계를 볼 수 있는 빛이라는 강력한 도구가 되었다.

그리고 1974년 도쿄대학 물성연구소에 세계 최초로 방사광 전용가속기 SOR- RING이 완성되었고 이어서 1982년 KEK의 전신인 고에너지물리학 연구소에서 Photon Factory가 운전을 개시했다. 이러한 방사광시설의 탄생을 통해 '구조생물학'이라는 새로운 분야가 확립되었다. 생명활동의 기본이 되는 단백질의 입체구조를 원자 수준으로 파악하여 기능과 역할을 연구하는 것이다. 방사광의 등장 이후 규명된 단백질의 수는 10만을 넘어 지금도 한 시간에 1개의 페이스로 계속 증가하고 있다. 또한 방사광이 다른 현미경과 크게 다른 특징으로는 원자, 분자의 상뿐만 아니라 전자의 에너지와 스핀 등 물질의 성질의 핵심정보를 얻을 수 있다는 점도 들 수 있다. 전자의 상태와 동작을 이용한 반도체를 비롯한 재료개발의 역사가 현재의 스마트폰이나 태블릿 등 전자기기에 연결되어 있다.

2014년 말에 발표된 노벨상도 빛과 광학기술의 역사에 새겨질 것이다. 원리적인 한계를 넘은 해상도를 가진 광학현미경의 개발에 화학상, 청색 LED의 개발에 물리학상이 수여되었다.

빛과 잘 어울리기

빛을 만들어 사용하는 것에는 폐해도 있다. 밤의 지구는 지형을 간파할 정도로 도시 불빛에 비추어지고 있다. 노벨 물리학상 수상 이유로 '조명에 소비되는 에너지는 세계 전력의 4분의 1에 달하고 화석연료의 절약과 온실가스 감축에 크게 기여할 것으로 기대된다'고 언급한 바와 같이, 에너지 문제는 중요한 과제가 되고 있다.

빛을 잘 활용하여 탄생과 진화를 이룬 생명체 그리고 빛을 생성하고 제어하는 ​​기술로 문명을 발전시켜 온 인류. 앞으로 빛과 어떻게 어울려 갈지 기대된다.

※ 단백질정보 은행(PDB : Protein Data Bank)은 단백질 등의 생체고분자의 입체구조를 축적하고 있는 국제공공 데이터베이스이다. PDBj(Protein Data Bank Japan)는 다른 조직과 협력하여 생체고분자의 입체구조 데이터베이스를 국제적으로 통일화된 PDB 아카이브로 운영하고 다양한 분석도구를 제공하고 있다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· INTERNATIONAL YEAR OF LIGHT 2015 공식페이지 (영어)
http://www.light2015.org/Home.html
· IYL2015 JAPAN
http://iyl2015-japan.org/

· 国際光年
https://www.kek.jp/old/ja/newsroom/2015/02/09/1500/