수족관에서 ‘머리 없는 생물’을 발견!? 그 정체와 수면 위에 펼쳐지는 신기한 물리 이야기
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.
갑자기 퀴즈 하나 드릴게요. 아래 영상을 한번 봐주세요. 검은 물체가 움직이고 있는데, 과연 이건 무엇일까요?
어? 어어?! 이게 뭐지?!
목 없는 동물이 움직이고 있습니다.
정답, 눈치채셨나요? 사실 이건 바로 펭귄입니다! 도쿄 스카이트리 근처에 있는 “스미다 수족관”의 펭귄 수조를 아래쪽에서 올려다보며 촬영한 영상이에요. 마치 물속에서 펭귄을 바라보는 시점이 된 거죠. 그런데 신기하게도 이 각도에서는 펭귄의 목이 거의 보이지 않습니다.
스미다 수족관에서 만난 물리학
얼마 전, 스미다 수족관에 다녀왔습니다. 이곳의 하이라이트는 실내에 있는 거대한 펭귄 수조예요. 2층에서는 수조를 내려다볼 수 있는데요,
2층에서는 수조 바닥의 파란색이 잘 보입니다
그리고 1층으로 내려가면, 이번에는 수조를 아래에서 올려다보며 펭귄을 “물속 시점”으로 관찰할 수 있습니다. 바로 그때 촬영한 영상이 맨 처음의 영상이었죠.
그런데 수조를 아래에서 바라보면 아주 신기한 장면이 펼쳐집니다.
수조 너머 하늘을 올려다보면, 바깥세상이 보이는 부분과 파랗게 보여서 밖이 보이지 않는 부분이 아주 선명하게 나뉘어 있습니다. 마치 물속에 둥근 “창문”이 떠 있는 것처럼 보이죠. 하코네엔 수족관에서도 같은 현상을 볼 수 있었습니다. 아래 영상도 함께 보세요.
파랗게 보이는 부분은 사실 수조 바닥 콘크리트에 칠해진 파란색입니다。
그런데 왜 바깥 풍경은 마치 “둥글게 오려낸 것처럼” 보이는 걸까요? 이 경계선의 정체는 대체 무엇일까요?
그 이유는 바로 ‘전반사’!
이 현상에는 빛의 굴절과 전반사가 깊게 관련되어 있습니다. 시선을 조금 위로 올려 수조를 비스듬히 바라보면 천장의 빛이 보입니다. 빛은 “빛의 경로를 거꾸로 따라갈 수 있는 성질(가역성)”이 있어서, 눈에 들어온 빛을 반대로 추적하면 어디에서 온 빛인지 알 수 있죠.
그 상태에서 시선을 조금씩 아래로 내리다 보면, 어느 순간 갑자기 “바깥세상이 보이던 영역”이 “수조 바닥의 파란색만 보이는 영역”으로 확 바뀌는 지점이 나타납니다. 이때의 각도를 임계각이라고 합니다. 고등학교 물리에서 배우는 스넬의 법칙(굴절 법칙)으로 계산해보면, 공기의 굴절률을 약 1, 물의 굴절률을 약 1.33이라고 할 때 임계각은 약 48°가 됩니다. (고등학생이라면 계산기로 arcsin을 직접 계산해보세요!)
즉, 물속에서 48°보다 얕은 방향(수면 가까운 방향)을 바라보면 바깥 풍경이 보이고, 그보다 깊은 방향(정면 위쪽에 가까운 방향)을 보면 전반사가 일어나 바깥은 보이지 않고 수조 바닥의 색만 보이게 되는 겁니다. 실제 수족관에서는 수조 유리와 공기 사이에서도 굴절이 일어나기 때문에, 정확히는 48°보다 조금 더 큰 각도가 됩니다.
이 경계선은 360° 어느 방향에서도 같은 각도로 나타나기 때문에, 결과적으로 둥근 “창문”처럼 보이게 되는 거예요.
펭귄도 이 ‘창문’으로 우리를 보고 있을까?
다시 한번 2층에서 내려다본 사진을 봐주세요.
위에서 보면 수조 바닥의 파란색이 전체적으로 보이죠. 하지만 물속에서는 둥근 창문 바깥으로는 외부 세계가 거의 보이지 않습니다. 어쩌면 펭귄들도 물속의 “창문”을 통해 우리를 바라보고 있을지도 몰라요. 괜히 눈이 마주칠 것 같은 기분이 들지 않나요?
다음에 수족관에 가게 된다면, 꼭 아래에서 수조를 올려다보세요. 교과서 속에 있던 “빛의 굴절”이 실제 풍경이 되어 눈앞에 펼쳐질 겁니다.
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