아이작 뉴턴의 광학(한국연구재단 학술명저번역총서 서양편 776)(양장본 Hardcover)

이 책의 원저자인 아이작 뉴턴 경은 인류 역사상 가장 위대한 과학자 중 한 사람으로, 1642년 영국의 링컨셔 지방 울스도프라는 마을의 자작농 집안에서 유복자로 출생했다. 뉴턴은 링컨셔 지방에서 학교 교육을 받고, 1661년에 케임브리지 대학에 입학한 뒤 1665년에 졸업했고, 1667년에는 케임브리지 대학의 연구원으로 선임되었으며, 1669년에는 대학 시절부터 뉴턴의 능력을 인정한 수학교수인 아이작 배로의 후임으로, 수학과 루카시안 교수라는 명칭의 석좌교수로 임명되었다. 그 뒤 뉴턴은 1696년까지 27년 동안 케임브리지 대학에서 교수로 재직했다. 뉴턴은 케임브리지 대학을 졸업한 뒤, 런던에 흑사병이 유행해 고향인 링컨셔로 내려가 보낸 1665년에서 1666년까지 2년 동안을, '그 두 해가 내 직관의 절정기였으며 나는 그 이후의 어느 때보다 더 수학과 철학에 전념했다'고 회고했다. 그 기간에 뉴턴은 그의 대표적 저서인 [자연철학의 수학적 원리들(프린키피아)]에 포함된 대부분의 내용을 실질적으로 완성했지만, 그 책이 출판된 것은 1687년이었다.



뉴턴은 1696년에 조폐국장으로 임명되어 케임브리지에서 런던으로 옮겼으며, 그로부터 3년 뒤에는 다시 조폐청장에 취임했고 1727년에 사망할 때까지 그 직을 유지했다. 또한 그는 1671년부터 영국 왕립학회 평의원으로 활동했는데, 1703년에는 그 학회의 회장으로 피선된 후 매년 죽을 때까지 계속 재선되었다. 그가 왕립학회 회장으로 선출된 다음 해인 1704년에는 [프린키피아]와 함께 그의 가장 중요한 두 저서 중 다른 하나인 [광학]을 출판했고, 그다음 해인 1705년에는 케임브리지에서 영국의 앤 여왕에게서 기사 작위를 받았는데, 이는 영국에서 과학자로서 사상 처음 받는 영광이었다.



뉴턴이 제안한 물리학은 영국뿐 아니라 유럽 전체에서 그의 생전에 이미 인정받기 시작했으며, 뉴턴은 유럽에서 가장 존경받는 자연철학자가 되었다. 어떤 역사가는 뉴턴이 학자에서 정부 관료로 직업을 바꿈으로써 과학계가 가장 중요한 인물 한 사람을 잃어버렸다고 주장했지만, 사실 뉴턴 자신은 대학 사회 대신에 런던의 사교계에서 유명인사 대접을 받는 것을 싫어하지 않았다. 그는 계속 면담을 신청하는 고관대작들과의 대화를 즐겼고, 틈틈이 그의 두 저서 ?프린키피아?와 ?광학?의 개정판을 출판하는 일을 감독했다. 그뿐 아니라, 뉴턴은 영국의 화폐제도 개혁에도 총력을 기울이는 등, 조폐국장과 청장의 임무도 충실히 수행했다. 또한 뉴턴은 말년을 전례가 없는 일반 대중의 칭송을 받으며 지냈고, 그것은 그가 85세로 생을 마칠 때까지 계속되었다. 뉴턴은 평생 결혼하지 않고 근검절약하며 살았는데, 1727년 그가 사망했을 때 그의 장례식은 그 누구의 장례식보다 더 화려하고 장엄하게 진행되었다. 그의 시신은 상원의장과 두 명의 공작 그리고 세 명의 백작이 운구해 웨스트민스터 사원에 안장했고 그곳에 그의 기념비가 세워졌다.



케임브리지 학생일 시절 뉴턴은 빛의 성질에 관심을 갖게 되었다. 그리고 이탈리아의 사제이며 물리학자인 그리말디가 쓴, 작은 구멍을 통과한 빛이 원뿔을 그리며 진행한다는 빛의 회절에 대한 논문을 읽고, 프리즘을 처음 구입하여 빛에 대한 정교한 실험을 시작했다. 당시 프랑스의 철학자인 데카르트는 빛이 파동이며 그리말디가 발견한 빛의 회절이 바로 빛이 파동인 증거라고 주장했는데, 뉴턴은 그것을 반박하고 싶었다. 뉴턴은 그리말디가 관찰한 회절은 단순히 굴절의 새로운 한 측면일 뿐이라고 생각했다.



당시 빛이 파동이라는 주장을 옹호한 학자들은, 흰색 빛이 프리즘을 통과하면 여러 색깔의 스펙트럼으로 바뀌는 것은 빛이 프리즘을 통과하면서 불순해지기 때문이라고 설명했다. 이것은 빛이 유리를 더 많이 통과할수록 빛은 더 많이 불순해짐을 의미했다. 그런 주장을 반박하고자, 뉴턴은 흰색 빛을 프리즘에 통과시켜 여러 색깔로 나뉜 스펙트럼을 연이어 하나 더 프리즘을 거꾸로 세워 통과시켰는데, 그 결과로 다시 흰색 빛이 나오는 것을 관찰했다. 이것은 프리즘을 통과한 빛이 여러 색깔로 나뉘는 것은 절대로 유리가 빛을 불순하게 만들기 때문이 아님을 보여주었다. 당시 모든 학자가 빛은 입자나 파동 중 하나에 속하는 것이 분명하다고 믿고 있었으므로, 뉴턴은 빛이 파동이라고 증명하는 데 실패한 실험을 이용하여 빛이 입자임을 증명한 것이다.



뉴턴은, 일련의 정교한 실험을 거친 뒤에, 빛이 여러 색깔의 입자로 구성되어 있고, 이들이 모두 결합하면 빛이 흰색으로 보인다고 결론지었다. 뉴턴은 빛이 프리즘에서 색깔마다 다른 굴절각으로 굴절한다는 것을 보였다. 그는 또한 한 가지 색깔의 빛을 쪼이면 물체는 모두 똑같은 색깔로 보인다는 것도 알았고, 한 가지 색깔의 빛은 아무리 많이 반사되고 굴절하더라도 그 색을 그대로 유지한다는 것도 알았다. 그래서 그는 색이란 물체의 성질이 아니라 물체에서 반사되는 빛의 성질이라고 결론지었다. 뉴턴은 지극히 내성적인 성격으로 평소에는 자신의 연구결과를 발표하는 것을 꺼렸으나, 1671년 영국 왕립학회 평의원이 된 다음 해인 1672년에는 빛이 입자임을 주장하는 논문을 왕립학회에서 발표했다.



그러나 뉴턴의 빛이 입자라는 주장은 많은 반박에 직면했다. 역시 왕립학회 평의원인 후크는 그리말디의 회절 실험을 반복하고 그 실험은 빛이 입자가 아닌 파동이어야만 설명된다는 주장을 폈다. 후크에 동조하는 학자가 많았고, 뉴턴의 프리즘 실험을 반복하려 시도한 사람들이 뉴턴과 똑같은 결과를 얻을 수 없음을 보고하는 경우도 있었다. 그런 의구심은 뉴턴이 프리즘의 규격이나 재질 그리고 실험이 어떻게 진행되었는지 등 자신이 수행한 실험 세부사항을 공개하지 않아서 더 증폭되었다.



뉴턴은 후크의 반박이 있고 난 뒤, 거의 30년 동안이나, 빛의 본성에 대한 논쟁에 일절 참여하지 않았다. 그러나 1703년 그의 가장 강력한 반대자였던 후크가 사망하고 1년이 지난 뒤, 왕립학회 회장으로 선출된 해인 1704년에 빛에 대한 이론을 가다듬어 『광학(Opticks)』이라는 제목의 책으로 출판했다. 이 책 앞부분에 뉴턴은 그가 프리즘 실험을 어떻게 수행했는지 자세히 설명했다. 그래서 이 책이 출판된 다음에는 다른 많은 학자가 프리즘을 이용한 빛에 대한 실험에서 뉴턴과 똑같은 결과를 얻는 데 성공할 수 있었다. 또한 뉴턴은 호이겐스가 파동 이론으로 설명한 빛의 간섭과 회절을 입자 이론으로도 똑같이 잘 설명할 수 있음을 보였다. 『광학』이 출판된 후 빛에 대한 뉴턴의 이론은 좀 더 광범위하게 인정받게 되었지만 일부 학자는 여전히 확신을 못 한 채로 남아 있었다.



물리학은 자연현상의 기본법칙을 다루는 분야로, 그 기본법칙이 바로 F=ma로 알려진 유명한 뉴턴의 운동법칙이다. 뉴턴의 운동법칙은 1687년 ?프린키피아?를 통하여 사뭇 극적으로 발표되었다. 당시 사람들은 17세기 초에 발표된 행성의 운동에 대한 케플러의 세 가지 법칙이 왜 성립하는지 몹시 궁금해했다. 그때는 사람들이 신(神)이 사는 천상 세계에 속한 별은 모두 완전한 형태인 원을 그리며 지구 주위를 회전한다고 믿었다. 그런데 행성이, 지구 주위가 아니라 태양 주위를, 그것도 원 궤도가 아니라 타원 궤도를, 그리며 회전한다는 케플러 법칙이 성립하는 이유를 도저히 알 수가 없었다.



[프린키피아]에서 뉴턴은, 운동법칙과 함께, 태양이 행성을 잡아당긴다는 만유인력 법칙을 제안하고, 그 법칙에 따라 계산한 힘을 F=ma의 힘 F 자리에 대입해 그 식을 풀었더니, 케플러의 행성 운동에 대한 세 가지 법칙 모두가 왜 성립하는지 완벽하게 설명할 수 있었다. 그리고 곧 뉴턴의 운동법칙은 행성의 움직임뿐 아니라 자연을 구성하는 모든 물체의 운동을 설명하는 자연의 기본법칙임이 알려졌다. 그리하여 사람들은 자연에 대한 올바르고 궁극적인 진리를 찾아냈다고 믿게 되었고, 뉴턴의 첫 번째 저서인 [프린키피아]는 인류 역사상 가장 중요한 책으로 인정받게 되었다.



그러나 뉴턴이 사망하기 직전까지 개정을 거듭하며 아낀 그의 두 번째 저서인 [광학]의 운명은 [프린키피아]와는 달랐다. 뉴턴은 1672년에 빛이 입자라고 주장하는 논문을 발표했는데, 그 후 곧 후크를 비롯한 빛이 파동이라고 주장하는 반대파와 격렬하게 논쟁하게 되었다. 뉴턴은 그런 논쟁에 휘말리는 것을 견디지 못하는 사람으로, 처음 논쟁이 있은 후 30년에 걸쳐 빛의 본성에 대한 논의에 전혀 개입하지 않았다. 그러나 1703년 후크가 사망한 바로 다음 해인 1704년에, 뉴턴은 ?광학?을 출판했다. [광학]에는 그가 수십 년 심혈을 기울여 수행한 실험에 대한 구체적인 내용과, 실험을 통해 얻은 반사, 굴절, 회절, 색깔과 같은 빛의 성질에 대한 자세한 설명이 실려 있었다. 이 책에서 뉴턴은 빛이 입자인 증거를 제시하고 빛이 입자라는 관점에서 빛의 여러 가지 성질을 설명했다.



비록 후크나 호이겐스와 같은 여러 학자가 빛이 파동이라는 주장을 계속 제기했지만, 18세기에는 과학자로서 뉴턴의 권위에 힘입어, 영국을 중심으로 빛이 입자라는 생각이 어느 정도 설득력을 발휘했다. 그러나 1803년에, 영국의 대학자 토머스 영이, 얇은 카드를 촘촘히 세운 틈 사이로 지나간 햇빛이 만든 간섭무늬를 보여주면서, 빛은 파동임이 명백하다고 증명한 뒤로, 빛이 입자라는 주장은 설 땅을 잃고 말았다. 그리고 그 뒤 한 세기가 넘는 동안, 뉴턴의 ?광학?에 담긴 내용 대부분이 얼마나 뛰어났는지는 누구도 이의를 제기하지 않았지만, 사람들은 뉴턴이 안타깝게도 결코 옳다고 볼 수 없는 빛의 입자설을 주장한 것이라고 믿었다. 그래서 뉴턴의 [프린키피아]는 언제나 과학도라면 누구나 한 번쯤 반드시 읽어야 할 책이라고 생각했지만, 19세기 후반까지도 뉴턴의 ?광학?은 과학사 학자들만 관심을 갖는 책으로 여겨졌다.



그러나 아이러니하게도 20세기에 들어서자마자, [프린키피아]에 실린 뉴턴의 중력이론은 아인슈타인의 일반상대성 이론에 의해, 사실은 틀린 이론으로 판명이 났고, 그에 반해 ?광학?에 실린 빛이 입자라는 주장은, 역시 광전효과가 어떻게 일어나는지 설명한 아인슈타인에 의해, 틀리지 않았음이 판명되었다. 아인슈타인은 당시 알려져 있던 플랑크의 광양자 가설을 이용해서, 빛의 에너지가 빛의 진동수에 비례한다고 가정하고 광전효과 문제를 해결했는데, 이것은 빛이 파동이 아니라 입자라고 말하는 것과 같았다. 그런데 놀랍게도 그보다 200년 전에 뉴턴이 빛은 입자라고 주장한 근거도 바로 프리즘에서 빛이 색깔에 따라 굴절하는 각도가 차이가 난다는 사실에 근거했는데, 빛의 색깔은 바로 빛의 진동수를 대표한다.



뉴턴의 [프린키피아]는 라틴어로 마치 수학을 증명하듯이 딱딱하게 설명되어 있지만, 뉴턴의 ?광학?은 평이한 영어로 친숙하게 기술되어 있다. 뉴턴은 ?광학? 초판을 1704년에 출판하고서도 끊임없이 다듬었는데, 그래서 1717년에 개정판이, 1721년에 제3판이, 그리고 뉴턴이 1727년에 사망하기 직전까지 고친 내용을 포함한 마지막 제4판이 1730년에 발행되었다. 그리고 200년 동안 잊혀 있다가, 1931년에 마지막 개정판인 제4판을 미국의 Bell and Sons 출판사가 다시 인쇄했는데, 이 인쇄본에는 아인슈타인의 서문이 포함되어 있다. 아인슈타인은 그의 서문에서, 뉴턴의 [광학]을 읽을 시간과 여유가 있는 사람은 위대한 뉴턴이 젊은 시절에 경험한 경이로운 사건들을 생생하게 맛볼 수 있을 것이며, 뉴턴에게 자연은 마치 펼쳐 놓은 책과 같아서, 그는 아무런 어려움도 없이 그 책을 그러니까 자연을, 읽을 수 있었다고 썼다. 또한 아인슈타인은 뉴턴이 이 책에서는 마치 실험가, 이론가, 기술자, 그리고 예술가가 모두 한몸에 들어있는 것과 같이 행동한다면서, 뉴턴의 [광학]을 반드시 읽어보라고 추천했다.

역자 해제

아이작 뉴턴의 서문 1

아이작 뉴턴의 서문 2

제4판 서문



제1권

제1부

제2부



제2권

제1부

제2부

제3부

제4부



제3권

제1부



미주

아이작 뉴턴 뉴턴은 인류 역사상 가장 위대한 과학자로 케임브리지 대학의 제2대 루카시안 교수로 27년 동안 재직하고, 1696년 조폐국장으로 임명되고, 1699년에 조폐청장에 취임해서 사망할 때까지 그 직을 유지했다. 또한 1671년부터 영국 왕립학회 평의원으로 활동했고 1703년에는 그 학회의 회장으로 피선된 다음 죽을 때까지 재선되었다. 뉴턴이 1687년에 출판한 첫 번째 저서 프린키피아에서 제안한 물리학은 영국은 물론 유럽 전체에서 그의 생전에 이미 인정받고 그는 유럽에서 가장 존경받는 자연철학자가 되었다. 그는 1704년에 두 번째이자 마지막 저서인 광학을 출판했고, 그 다음 해인 1705년에 과학자로는 최초로 앤 여왕에게서 기사작위를 수여받았다. 그는 일생동안 결혼하지 않고 근검절약하며 살았으며, 그가 사망했을 때 그의 시신은 웨스트민스터 사원에 안장되었고 그곳에 그의 기념비가 세워졌다.