뉴턴의 프리즘 실험

🎯 탐구 문제

프리즘에 햇빛을 비추면 무지개 색이 나타난다. 이 색은 프리즘이 만들어낸 것일까? 아니면 원래 백색광 속에 들어 있던 색일까?

📐 가설로부터의 예측 (deduction)

뉴턴의 가설이 옳다면 다음과 같은 결과가 나타나야 한다:

• ① 백색광 → 프리즘 → 여러 색으로 분리된다 ✓ (이미 알려진 사실)
• ② 분리된 단색광 하나를 골라 또 다른 프리즘에 통과시켜도 → 더 이상 분리되지 않아야 한다.
• ③ 분리된 색들을 다시 모으면 → 흰색이 다시 만들어져야 한다.

이 예측이 모두 맞으면 가설이 검증된다.

💡 실험의 핵심 — Experimentum Crucis

뉴턴은 자신의 가설을 결정적으로 검증할 수 있는 실험을 설계했다. 라틴어로 "experimentum crucis(결정적 실험)"라 불렀다. 그 비법은 프리즘을 두 개 사용하는 것:

• 1단계: 첫 프리즘으로 백색광을 분광 → 일반적 무지개
• 2단계: 분광된 색 중 하나만 좁은 슬릿으로 골라낸다
• 3단계: 그 단색광을 두 번째 프리즘에 통과시킨다
• 예상: 더 이상 분리되지 않고 굴절만 한다

일반적인 프리즘 분광백색광이 프리즘에서 빨강(굴절 작음)~보라(굴절 큼)로 분산. 이미 알려진 현상이었다.

뉴턴의 이중 프리즘 (1672)가설 검증을 위한 결정적 실험 — 단색광을 두 번째 프리즘에 통과시켜 더 이상 분리되지 않음을 확인.

1. 암실에서 손전등을 켜고, 그 앞 30cm에 슬릿(1mm 틈)을 둔다. 빛이 좁은 선으로 나오게 한다.
2. 슬릿에서 50cm 떨어진 곳에 첫 번째 프리즘을 비스듬히 놓는다. 빛이 분광되어 스크린에 무지개가 나타나도록 조정한다.
3. 스크린에 무지개가 보이면 색의 순서를 관찰하고 그림으로 기록한다. (빨주노초파남보)
4. 스크린 자리에 좁은 구멍판을 세워, 색 중 하나(예: 빨강 또는 초록)만 통과시킨다.
5. 그 단색광이 두 번째 프리즘을 통과하도록 두 번째 프리즘을 놓는다.
6. 두 번째 프리즘을 지난 빛이 새 스크린에 만드는 모양을 관찰한다. 색이 더 분리되는가? 그대로인가?
7. 구멍판을 빼고 6개 색 모두를 다시 모아 보낸다(볼록렌즈 이용). 다시 흰 빛이 되는지 관찰한다.
8. 모든 결과를 표와 그림으로 기록한다.

뉴턴이 사용한 방식은 연역적(가설검증) 탐구다. 일반 가설을 먼저 세우고 → 그 가설로부터 구체적 예측을 끌어내고 → 실험으로 예측을 확인한다.

지금까지 우리는 두 가지 탐구 방식을 만났다. 둘은 정반대 같지만 사실 함께 일한다.

현대 과학은 두 방식을 순환한다. 관찰 → 가설(귀납) → 예측·검증(연역) → 새 관찰(귀납) → ...