유리는 투명한 특성을 가진다. 그러나 자연계에 존재하는 수많은 물질들은 대부분 투명하지 않다. 유리가 특별한 물질이어서 그런 것인지 아니면 투명성, 다시 말해 빛이 어떻게 고체를 통과하는지 의문이다. 저자는 원자 구조와 양자역학 이론으로 이에 대해 설명한다.
유리는 규소와 산소 원자, 그리고 약간의 다른 원자로 이뤄져 있다. 원자에는 중심이 되는 핵이 있고 핵은 양성자와 중성자로 돼 있다. 그리고 그 주위를 다양한 수의 전자가 둘러싸고 있다. 핵과 개별 전자의 크기는 전체 원자의 크기에 비하면 매우 작다. 만약 원자가 운동 경기장만 하다면 핵은 중심부에 놓인 콩알만 하고, 전자는 경기장을 둘러싼 스탠드에 놓인 모래알만 하다. 그러므로 모든 원자 안, 그리고 실은 모든 물질 안은 대부분 텅 빈 공간이다. 이 말은 원자 안에 빛이 전자나 핵과 부딪히지 않은 채 통과해 지나갈 수 있는 공간이 충분히 있다는 뜻이다. (p221)
여기까지는 물리 교과서를 통해 배운 원자의 구조를 설명함을 알겠다. 전위 에너지 같은 용어가 기억나기는 하지만, 양자역학을 정식 공부한 적이 없으니 어설픈 요약 대신에 저자의 설명을 통째로 밑줄 긋는다.
비유를 계속해보자. 원자라는 운동장에서, 전자는 스탠드의 특정한 지점에서만 지내도록 허락받았다. 마치 좌석 대부분이 사라지고, 단지 몇 줄의 좌석만 남아서 각각의 전자는 할당받은 줄에만 앉을 수 있는 것처럼. 만약 전자가 더 좋은 줄로 자리를 업그레이드하고 싶다면, 비용을 내야 한다. 그리고 이때 지불해야 하는 비용은 에너지의 형태로 내야 한다. 빛이 원자를 통과해 지나갈 때, 빛은 에너지를 내놓는다. 만약 에너지가 충분하다면, 전자는 이 에너지를 더 나은 좌석으로 이동하는 데 이용한다. 이 때 원자는 빛이 물질을 통과하지 않도록 흡수한다.
하지만 여기에 문제가 있다. 빛의 에너지는 전자가 현재의 자리에서 자신이 갈 수 있는 줄로 옮겨가는 데 필요한 에너지와 정확히 같아야 한다. 에너지가 너무 작거나 위에 있는 줄에 자리가 없다면(그러니까 전자를 거기 데려가는 데 필요한 에너지가 너무 크다면), 전자는 업그레이드되지 않고 빛은 흡수되지 않을 것이다. 전자가 정확히 일치하는 에너지를 얻지 못하면 운동장 스탠드의 줄(혹은 ｀에너지 상태｀) 사이를 이동할수 없다.
이런 아이디어가 바로 원자 세계를 지배하는 양자역학이라는 이론이다. 줄 사이의 간격은 에너지의 특정한 양, 혹은 ｀양자｀에 해당한다. 유리 안에서 이런 양자가 배열되는 방식을 보면, 전자가 좋은 줄로 이동하기 위해서는 가시광선이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 큰 에너지가 있어야 한다. 결국 가시광선은 전자의 좌석을 업그레이드시키는 데 충분하지 않은 에너지를 지니며, 별수 없이 빛을 원자 사이로 통과시켜 보내야 한다. 이것이 바로 유리가 투명한 이유다. 하지만 에너지가 높은 빛, 예를 들어 자외 선의 경우에는 유리 안의 전자를 더 나은 좌석으로 업그레이드시킬 수 있고, 따라서 유리는 자외선에 대해서는 불투명하다. 이 때문에 유리문을 통과해 들어온 햇볕에 우리 피부가 타지 않는 것이다. 자외선이 닿지 않으니까. 나무나 돌처럼 불투명한 재료는 가격이 싼 좌석이 많고 그래서 가시광선과 자외선이 쉽게 흡수된다.
빛이 유리에 흡수되지 않는다 하더라도, 원자의 내부를 통과하게 되면 그 영향으로 속도가 느려진다. 빛의 속도는 유리 반대쪽으로 나갈 때까지 느려지며 그 이후에 다시 빨라진다. 만약 빛이 유리를 어떤 각도로 통과한다면, 빛의 각기 다른 부분이 각기 나른 순간에 유리로 들어갔다 나온다. 이는 빛으로 하여금 잠시, 조금 다른 속도로 움직이게 한다. (p221-222)
이를 토대로, 광학 렌즈, 프리즘, 파이렉스, 강화유리 등 유리 재료에 대한 소개가 이어진다. 유리 기술과 맥주의 상관 관계 역시 흥미진진하다.
