이미징 역사 – Part 1

EyeWire Cube

 

아래는 2014년 7월 9일의 신경과학 관련 영어 블로그 History of Imaging – Part 1을 한국인 플레이어 @scoobi님이 번역하고, Kyung Lim이 블로그 포스팅 전 일부 교정 작업을 하였습니다.

아이와이어에서 우리가 사용하고 있는 큐브들은 독일에 있는 Max Planck Institute of Medical Research에서 현미경을 통해 얻은 데이터로 만들어졌습니다. 이때 사용된 특별한 현미경에 대한 이야기는 여기서 읽으실 수 있습니다. 주사전자 현미경(scanning electron microscopes)에 속하는 이 현미경들은 수십 년 간의 광학 연구를 통한 빛의 특성의 이해와 광학 현미경 발명의 결과입니다. 광학적 관찰은 기원전 1200년까지 거슬러 올라가며 아리스토텔레스, 플라톤, 유클리드 같은 물리-철학자들은 빛의 기원과 특성에 대해 오랜 시간 사색하였습니다. 우선 빛의 특성으로부터 시작하여 기술과 지식의 발전을 살펴보고 우리가 현재 사용하고 있는 SEMs(Scanning Electron Micorscopes, 주사전자 현미경)에 대한 이야기로 마무리 짓겠습니다. 과거 거시적 해부학상의 다이어그램으로부터 현재 우리가 가지고 있는 아름다운 뉴런들의 사진을 어떻게 얻게 되었는지에 대한 이야기입니다.

여기서부터 시작하여

Diagram of the brain from Gray's Anatomy
Diagram of the brain from Gray’s Anatomy

 

여기서 끝납니다!

Hippocampal Neuron
Hippocampal Neuron

 

나중 사진은 사실 2013 Nikon’s Photomicrography Competition에서 우승한 Dr. Boyle이 찍은 해마 뉴런의 사진입니다. 지금은 우리가 얼마나 많은 발전을 이루었는지 보여주고 있죠! 수천 년 동안 물리학자들은 빛을 연구해왔고, 이제 우리는 아름다움을 지닌 미세한 물체를 사진찍어 겨룰 정도가 되었습니다.

Part1: 광학에서 빛과 양자

빛의 개념은 우리에게 자연스러워 보이지만, 물리학 이론*의 관점에서 빛은 아주 이상한 특성이 있습니다. 우선, 빛은 전자기선의 일종이며, Maxwell 방정식으로 알려진 서로 다른 방정식으로 빛의 특성 중 일부를 설명할 수 있습니다.

Maxwell's Equations

뒤집힌 삼각형은 라플라시안 함수, E는 전기장, B는 자기장을 나타냅니다. Maxwell 방정식은 전기장과 자기장의 특성을 묘사합니다.

ww2.astro.psu.edu
ww2.astro.psu.edu

 

이 글에서 유도하지는 않겠지만, 이 방정식들에서 파동 방정식을 얻을 수 있습니다. 파동 방정식은 물리적 파동이 어떻게 시간과 공간을 따라 이동하는지 보여줍니다. 비록 파동 방정식이 Maxwell 방정식에서 유도되었지만, 파동은 정확히 빛의 속도 c 또는 3 x 109m/s로 움직입니다. 우리는 전자기 이론(electromagnetic theory)으로부터 빛의 파동을 설명하는 파동 방정식을 유도한 것입니다!

파동-입자 이중성은 잘 알려진(빅뱅 이론에 3~4번이나 나옵니다!) 현상입니다. 우리는 Maxwell 방정식에서 유도된 빛의 파동으로서의 특성을 살펴보았고 이제 빛의 입자로서의 특성을 살펴볼 차례입니다.

광선(a beam of light)이 어떤 금속에 집중될 때, 전자들(electrons)이 금속으로부터 방출됩니다. 이것을 광전자 효과(the photoelectric effect)라고 부릅니다. 이 효과는 전자기 이론(electromagnetic theory)으로는 설명할 수 없습니다. 전자는 다양한 강도의 빛에서 방출되며 단지 특정 진동수에 도달한 빛이면 전자가 방출됩니다. 아인슈타인은 이것이 전자기장이 양자화되어있기 때문이라고 생각했습니다. 이것은 파동들 대신에 “파동 묶음(wave packets)”, 즉 양자화된 에너지로 존재한다는 것입니다. 이 양자들은 광자(photons)라고 부릅니다. 아인슈타인은 이 관찰로 1921년 노벨상을 받았습니다.

그래서, 빛을 입자라고 생각해야 할까요, 아니면 파동이라고 생각해야 할까요? 이 질문에 대한 답은 아직 나오지 않았으며, 양자 이론에 대한 더 깊은 연구가 필요합니다. 거울과 같은 광학 현상을 이해하기 위해 광선(light rays)을 도구로 사용한다고 해도 양자론을 공부할 필요는 없습니다. 광선(light rays)이란 무엇일까요? 매질 안에서 빛의 산란(Light scattering)은 물질을 통한 파면(wavefront)의 전파를 일으킵니다. 파면(wavefront)에 수직인 선을 이용하여 고도로 집중된 광선을 정의할 수 있습니다.

광학의 간단한 적용을 이해하기 위해선 단지 법칙 2개만 필요합니다. 반사의 법칙(the Law of Reflection)과 Snell의 법칙(Snell’s law)이죠. 두 법칙 모두 직접 관찰할 수 있어서 직관적으로 쉽게 이해할 수 있습니다.

반사의 법칙은 빛의 입사각과 반사각이 같다는 법칙입니다.

dev.physicslab.org
dev.physicslab.org

 

Snell의 법칙은 굴절, 즉 “굽은 빨대” 효과를 나타냅니다. 굴절의 좋은 예는 잔에 담긴 물에 빨대를 넣었을 때, 물에 잠긴 부분이 꺾여서 보이는 것입니다. 이 현상은 물질의 굴절률이 달라서 일어납니다. 굴절률은 빛이 매질 안에서 어떻게 움직이는지 나타내는 상수입니다. n = c/v로 정의되며, 빛의 속도와 특정 매질에서 빛의 속도의 비율입니다. 앞에서 설명한 Maxwell의 방정식을 사용하여 Snell의 법칙을 유도할 수 있습니다. Snell의 법칙은 n1sin1=n2sin2이며, 입사각과 반사각은 빛이 통과하는 매질에 의해 결정된다는 뜻입니다. 빨대의 경우를 보면, 빛의 물의 법선을 향해 들어갈 때 휘어지기 때문에 사람의 눈에 빨대가 휘어 보이는 것입니다.

wikipedia.org
wikipedia.org

이 2가지 법칙을 사용하여 거울과 렌즈의 모든 적용(예. 초기 형태의 돋보기)을 분석할 수 있습니다. 흥미로운 적용 중 하나는 보석 산업에서 사용하는 것인데, 다이아몬드의 중요한 판매 가치를 결정하는 절단(Cut)과 선명함(clarity)은 빛이 어떻게 다이아몬드에 들어가고 나오는지에 달려있습니다. 빛이 다이아몬드에 들어갈 때 매질은 공기에서 다이아몬드로 변하고 여기서 Snell의 법칙을 고려해야 합니다. 다이아몬드는 다른 pavilion 절단(cut) 방식을 가지고 있고 보석 세공 인은 최대한 반짝거리도록 빛이 내부에서 가능한 많이 반사되도록 할 것입니다. 여기서 보석의 광채에 영향을 주는 빛의 반사가 최대가 되도록 하는 반사각을 계산하기 위하여 반사의 법칙이 적용됩니다.

현미경들은 이 물리적 현상에 기초를 두고 있습니다. 아이와이어에서 사용된 기술(주사전자현미경)까지 이해하기 위해 현미경에 대해 더 다루고 있는 이 시리즈(이미징 역사)의 다음 글도 보시기 바랍니다. 이 블로그에서 다룬 기술을 소개하는 것이 우리의 목적입니다.

* Hecht는 그의 책 광학(Optics 2002)의 첫 장에서 환상적인 광학(Optics)의 역사를 소개하고 있습니다. 빛의 모호한 본질에 대해 이 장의 마지막에 이렇게 쓰고 있습니다. “‘무엇이 빛인가?’의 질문은 불변하게 그대로 남아있지만, 이에 대한 대답이 서서히 바뀌는 것은 참으로 놀랄만하다.”

(번역해주신 @scoobi님, 감사합니다.)

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