이미징 역사 – Part 2

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2014년 7월 21일의 신경과학 관련 영어 블로그 History of Imaging – Part 2를 한국인 플레이어 @djajsl1234님이 번역하고, Kyung Lim이 블로그 포스팅 전 교정 작업을 하였습니다.

우리는 지난 블로그에서 빛과 광학에 관한 이야기를 하였습니다. 어떻게 빛이 다양한 물질과 사람의 눈에 따라 반응하는지 이해하며 현미경이 발명되었습니다. 이는 과학적인 진전에서 온 획기적인 발견이었습니다. 발견이란 것에서 현미경이 얼마나 중요한지를 생각해보세요. 과학은 실증적인 모험이기에, 자연을 이해하고 설명하고 예측하기 위해서 우리는 자연을 관찰해야 합니다. 예를 들어, 옛날 사람들은 웅덩이의 물을 들여다보며 거기에 반사된 자신의 모습을 관찰했을 것입니다. 하지만 과학을 더 발전시키기 위해서 요구되는 만큼 인간의 눈이 강력하지는 않습니다. 별을 보고 자세한 특징을 알기 위해서는 망원경이 필요하고, 박테리아와 같은 더 작은 것을 관찰하기 위해서는 현미경이 필요한 것처럼 말이죠. “어떻게”, “왜”로 시작하는 물음의 답에 빛, 광학, 그리고 광학 기술은 필수적인 사항입니다. 왜냐하면 “이것은 어떻게 생겼을까?”, “이것은 무엇으로 이루어져 있을까?”란 질문에 처음 답을 해주었기 때문입니다.

광학은 약 1200년 전으로 거슬러 올라갑니다. 출애굽기 38:8에는 여자의 “보기 위한 유리”, 즉 거울에 대한 기록이 있습니다. 인터넷에 있는 많은 동영상 중 귀여운 고양이, 강아지, 또는 어린아이들이 반사된 자신의 모습을 보고 놀라는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 어떤 경우에는 지적이고 학식 있는 어른들 또한 반짝이는 물건(거울)에 비친 자신의 모습에 현혹되기도 합니다. 레오나르도 다 빈치가 자신의 유명한 프로젝트를 발명하고 있었을 때쯤에, 사람들은 광선에 대해 가지고 있는 지식을 기술에 적용하기 시작하였습니다. 그 대표적인 예가 렌즈 기술입니다. 렌즈의 성질은 고대 그리스 시대 이래로 알려져 오고 있으며, 로마 제국 시대의 사람들은 돋보기를 사용하였습니다. 하지만 이 기술은 16세기가 되어서야 유명해지기 시작하였습니다. 렌즈는 현미경과 관련이 있는 기본적인 기술입니다.

 

Ray Tracing (hyperphysics)
광선 추적 (초물리학)

 

 

 

 

 

 

 

모든 지식을 (대부분) 다루고 있는 초물리학(Hyperphysics) 웹 사이트에서 가져온 위 그림은 렌즈의 기본 개념을 보여줍니다. 렌즈와 “광선 추적(light ray tracing)” 방법을 사용하여, 어떻게 빛이 모이고 분산하는지를 볼 수 있습니다. 광선 추적에 대한 물리학은 지난 블로그 글의 기본 원리와 페르마 법칙으로 알려진 원리, 이렇게 두 원리에서부터 나옵니다. 특히 빛은 가능한 가까운 거리로 이동하려고 합니다.

빛(광선)과 렌즈에 대한 개념에서부터 우리는 어떻게 현미경까지 올 수 있었을까요? 이번 글에서는 광학 현미경 뒤에 숨은 기술을 알아보도록 하겠습니다. 일단 먼저 망원경에 관해 이야기하겠습니다.

망원경은 역사적인 방법에서 의미가 있습니다. 멕시코의 고대 마야 유적지인 지구라트를 보면, 세상(에 있는 것)이 무엇으로 구성되어 있는지를 인류 사회가 궁금해하기 이전부터 고대인들은 별을 관찰해 왔음을 우리는 알 수 있습니다. 사람들은 먼저 “우리는 어디에 있을까?”, “무엇이 우리를 지배하고 있을까?”와 같은 질문에 답을 알기를 원했고, 별이 이런 종류의 질문에 대답을 주었다고 여겨집니다.

이 광선 그림은 렌즈를 사용하는 망원경이 어떻게 작동하는지를 보여줍니다.

Ray Diagram (tutorvista)
광선 그림 (tutorvista)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

가령 별을 관찰한다고 해봅시다. 이 그림에서 별 축의 끝들을 P와 Q로 표시하였습니다. 광선은 대물렌즈를 통과하여 접안렌즈 왼쪽(P’Q’라 표시됨)에 이미지를 형성하고 접안렌즈를 통해 관측자에게 보입니다. 관측자는 원래 PQ길이 보다 상당히 긴 P”Q”의 최종 이미지를 보게 됩니다.

확실히 누구에 의해서는 모르지만, 현미경은 17세기 초반에 발명되었습니다. Antonie van Leeuwenhook는 그가 적혈구를 발견했을 때 새로운 현미경 기술을 사용하면서 획기적인 진보를 이루었습니다.

위 그림에서 현미경과 망원경 모두 볼록 렌즈를 활용한 것을 주목하세요. 왜냐하면, 이런 종류의 렌즈는 광선의 초점을 모아주기 때문입니다. 그래서, 현미경이 망원경과 비슷할까요? 위키백과에 있는 아래 광선 그림을 봅시다. 이미지(관측자가 보는 것)는 큰 빨간색 화살표이고 작은 화살표는 (적혈구와 같은) 원래의 물체 입니다.

 

Ray Diagram for a Microscope (tutorvista)
현미경에서 광선 그림 (tutorvista)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

두 광선 그림이 매우 비슷하네요! 왜냐하면, 망원경과 현미경이 비슷한 역할을 하기 때문입니다. 망원경은 멀리 있는 물체를 관측자에게 보이게 하고, 현미경은 작은 물체를 관측자에게 보이게 만들기 때문이죠. 망원경 그림의 “F”에서 그 차이의 이유가 있습니다, 즉 초점 거리(들)입니다. 각기 다른 거리에 렌즈가 초점을 맞추기 때문에 현미경이나 망원경은 원래 물체의 거리나 크기에 따라 조절될 수 있습니다.

한 걸음 물러서서, 이제 우리는 아이와이어로 가는 길 어디에 서 있을까요? 계산신경과학보다는 앞서 언급했던 지구라트에 더 가까이 다가간 듯 합니다. 우리는 광학 망원경과 광학 현미경에 관해 얘기했습니다. 위에 사용한 광선 그림은 매우 간단한 광선을 보여줍니다만. 과학 대혁명을 불러일으킨 광학 현미경으로부터 시작하여 전자 현미경까지의 과학기술은 엄청난 진보가 있었습니다. 이에 대해서는 다음 글에서 알려드리겠습니다!

(번역해주신 @djajsl1234님, 감사합니다.)

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