망원경의 원리 2편 - 눈의 작동 원리

 

지난번 글에서 돋보기가 어떻게 빛을 한 지점으로 모으는지에 대해 설명을 했었다. 그리고 오늘은 이와 거의 유사한 개념을 가진 우리의 눈의 동작 원리를 설명하도록 하겠다. 망원경의 원리를 아는데 왜 눈의 동작 원리를 알아야 하는지에 대해서는 묻지 말자. 그리 어렵지 않고 또 이미 알고 있을 가능성이 높으니 한번쯤 정리하고 다음으로 나가보면 도움이 될 것이다.

 

눈에 대해 이해를 돕기 위해서 가능 먼저 설명할 것은 우리의 수정체와 동공이다. 이 둘의 동작으로 인해 우리는 어둠거나 밝거나한 공간에서 멀거나 가깝거나 한 물체를 정확히 볼 수 있다. 일단 가장 먼저 눈이 동작되는 원리를 그림으로 보자.

 

 

 

그림 1) 먼 물체를 볼때의 눈과 가까운 물체를 볼 떄의 수정체의 변화

 

그림 1에서 보면 (나름 신경써서 그림) 멀리 있는 에펠탑으로부터 만들어진 빛의 파장은 멀기 때문에 거의 직선 형태로 눈에 도착하고 가까운데 있는 자동차는 아직도 원의 형태를 유지한채 도착하고 있다. 앞에 돋보기 원리를 설명할 때 (우리 수정체는 돋보기와 완전 동일하다) 같은 두께를 지닌 돋보기라면 멀리 있는 물체보다 가까운데 있는 물체에 대한 초점이 훨씬 뒤로 잡히게 된다.

 

 

그림 2) 만약 수정체가 돋보기처럼 두께가 고정이었다면 가까운 물체의 초점이 더 멀리서 잡힌다

 

하지만 우리의 눈은 초점이 맻히는 부분이 고정되어 있다. 그것은 바로 수정체 위쪽에 있는 망막이다. 눈을그려 놓은 사진은 매우 많으니 아마도 기억이 날 것이다.

 

 

그림 3) 우리 눈의 구조

 

우리 눈알이 상황에 따라 커지지 않는 한 수정체에서 망막까지의 거리는 불변이다. 그래서 우리의 눈은 가까운 사물을 볼때는 수정체를 더욱 볼록하게 만들어서 빛을 더 빨리 꺽어 준다. 즉 그림 1)에서 나온 밑의 그림의 형태로 모양 자체가 바뀌어 버리는 것이다. 우리가 먼 물체와 가까운 물체를 번갈아 볼때 마다 이렇게 수정체는 빠르게(정말 빠르다) 이완과 수축을 반복하면서 초점을 맞추고 있다.

 

 

그림 4) 가까운 물체는 수정체를 두껍게 해서 많이 굴절 시키고 먼 물체는 얇게 해서 적게 굴절 시킨다

 

그림 4) 는 가까워서 원의 형태로 진입되는 파장을 수정체를 두껍게 해서 굴절 각도를 높이는 모습과 (위 그림) 멀어서 평행선으로 진입되는 빛을 수정체를 얇게 해 상대적으로 덜 굴절 되도록 조절하여 초점을 맞추고 있는 눈의 모습을 그린 것이다. 앞에서 말했듯 우리의 눈은 그 크기가 고정되어 있기 때문에 이런식으로 수정체의 굵기를 조절해 초점을 맞춘다. 이게 설명은 쉬워보이지만 정말로 대단한 기능을 하고 있는 셈이다. 아직도 우리 인간의 기술은 이런 눈의 움직임을 따라 잡지 못하고 있다.

 

하지만 이 눈도 고장이 난다. 그것은 물론 나이에 따른 문제일수도 있지만 어린 시절 성장기의 아이들 역시도 너무 가까운 물체만을 봐 버릇 해서 수정체가 두꺼워진 쪽으로 완전히 고정되어 버리는 현상이 나타나서 그렇게 된다.

 

만약 수정체가 늘 평소보다 더 두껍거나 얇다면 어떤 현상이 일어날까?

 

 

그림 5) 초점이 어긋난 수정체. 위는 근시, 아래는 원시

 

위의 그림에서 위의 경우는 어린 아이들의 눈에서 나타나는 수정체가 너무 가까운 물체쪽으로 특화되어 늘 두껍게 존재하는 경우를 말하는 근시를 말하고 밑의 경우엔 나이가 먹어 수정체의 탄성이 부족 하든지(자세한 원인은 모름. 하지만 노화 현상) 어떤 이유로 인해 동공이 이완된 상태로 존재하는 원시의 눈을 말한다.

 

이것을 교정하는 방법이 무엇일까? 우리는 물론 안경을 통해 이것을 교정한다. 근시이든, 원시이든 간에 우린 안경만 착용하면 나름 쉽게 이 문제를 해결하는데 근시일 경우엔 앞에 오목렌즈를 원시일 경우엔 앞에 볼록 렌즈를 삽입시켜 주는 것이다.

 

 

그림 6) 안경에 의해 조정된 초점

 

오목렌즈 그림을 찾을 수 없어서 저런 모양으로 해 놓은 것을 이해해 주시길 바라며.. 아무튼 오목렌즈는 볼록렌즈와 반대 작용으로 빛을 더욱 퍼뜨리는 역할을 하므로 물체로 부터 발생되거나 반사된 빛이 수정체에 도달하기 전에 살짝 더 퍼뜨리면( 실제적으로 효과는 해당 물체가 더 멀리 있는 것처럼 속이는 것이다) 수정체를 통과한 빛의 초점이 좀 더 뒤로 잡혀서 교정이 된다. 그래서 근시 안경을 쓰면 대상 사물이 더 작아 보인다. 지금 안경을 쓰고 있다면 벗고 쓰고를 반복해보라. 그럴 경우 대상이 좀 더 커보였다 작아 보였다 한다. 물론 흐릿한 건 어쩔 수 없지만.

 

이 현상은 당연히 눈이 더 좋지 않는 근시일 경우 더욱 뚜렷해진다. 그리고 원시의 눈일 경우엔 앞에 볼록 렌즈를 달아서 빛을 미리 꺽어 준다. 그렇게 되면 초점이 망막의 뒤에서 잡히던 문제가 사라지고 망막 앞에서 잡히게 되어 사물을 정확히 볼 수 있게 되는 것이다.

 

근시는 가까운 것은 잘 보고 멀리 있는 것을 잘 못보는 수정체의 과도한 볼록화 현상이고, 원시는 반대로 멀리 있는 것은 잘 보고 가까운 것은 잘 못보는 수정체의 부족한 볼록화 현상이다.

 

그리고 눈은 이것 말고도 중요한 기능이 하나가 더 있다.  그것은 바로 동공의 확장과 축소를 통한 빛의 받아들임 조절력이다.

 

고양이의 눈을 본 사람이 있다면 고양이가 낮에는 거의 1자 형태의 눈동자의 가지고 있다가 밤이 되면 둥글고 예쁜 모양으로 바뀌는 것을 경험해 봤을 것이다. 이 고양이과 동물들은 원래 야행성이라서 눈이 밤에 더 잘 적응되어 있어서 그런게 심하게 표시가 난다. 즉 고양이는 낮보다는 밤이 더 자유로운 동물인 셈이다.

 

사람의 동공 역시도 밤과 낮, 즉 어두운 공간과 밝은 공간에서 그 크기가 달라진다. 그리고 당연히 밝을 땐 동공이 축소하고 어두울 땐 동공이 확장된다. 이것은 빛이 넘칠 땐 입구를 닫아 빛의 양을 줄이고 빛이 모자를 땐 입구를 최대한 넓혀서 빛의 양을 늘리는 원리이다.

 

이것을 통해 우리의 눈은 꽤나 밤에도 약간의 빛만을 통해서 사물을 희미하게 구분할 수는 있다. 그렇지만 이것만으로 해결이 되지 않는다. 우리는 어두울 때와 밝을 때 다른 세포를 이용해서 처리한다. 그것이 바로 원추세포와 간상세포라는 두 종류의 세포이다.

 

원추세포는 주간에 활용되는 빛 감지 세포이고 반대로 간상세포는 야간에 활용되는 빛 감시 세포이다. 따라서 간상세포가 빛에 대해서는 훨씬 민감하고 숫자도 많다. 아마도 이런 현상은 우리가 밤에 보는 것이 더 중요해서 그럴지도 모른다. 낮엔 대충 봐도 넘어지지 않고 걸을 수 있지만 반대로 밤에는 정말 어두운 곳에 가면 한치 앞도 안보이기 때문에 그럴 것이다.

 

눈에 대해 이런 이야기를 하는 이유는 바로 망원경에는사출동공이란 개념이 있기 때문이다. 그리고 이 사출동공은 우리가 어떤 대상체를 보기 위해 어떠한 장비를 선택할 때 꽤나 현실적으로 고려해야 할 사항이기 때문에 그렇다.

 

이 부분은 추후 접안렌즈에 대한 설명을 할 때 다뤄보도록 하겠다.

 

어두운 곳에 가서 밤하늘을 관측할 땐 가능하면 암적응이란 시간을 보내는 것이 좋은데 그것이 바로 우리 눈에 있는 간상세포를 활성화 시켜주는데 까지 필요한 시간이다. 아마도 불이 꺼진 직후 껌껌한 방에서 조금 시간이 지나면 하나 둘씨 흐릿하게 형체가 구분되는 경험을 가진 사람이라면 이해가 쉬울 것이다. 또한 한번 암적응 된 눈을 최대한 보호하기 위해서 관측지에서 밝은 빛을 사용하는 일은 없어야 한다.