과거 뉴질랜드 해안 곳곳에서는 하늘을 떠다니는 배가 수백 년에 걸쳐 수차례 발견됐습니다. 목격자들은 배가 이상한 붉은 빛을 냈다거나 뒤집어진 채 항해했다고 증언했죠. 사람들은 1641년 침몰한 ‘플라잉 더치맨(Flying Dutchman)’ 호가 유령선이 돼 영원히 바다 위를 떠도는 것이라며 공포에 떨었습니다. 이 환상 같은 유령선은 왜 나타난 걸까요? 유령이나 환상이 아니라 실제로 존재하는 것일까요? 과학자들은 하늘에 떠오른 유령선은 우리가 ‘신기루’라 부르는 현상이라고 이야기합니다. 파타 모르가나(Fata Morgana)라는 신기루의 일종이죠. 신기루는 환상이 아니라 실제 눈으로 볼 수 있는 자연 현상입니다. 물론 물체가 실제로 그 위치에 있는 건 아닙니다. 대기층에서 빛의 경로가 휘어져 물체가 실제 위치가 아닌 다른 위치에서 보이는 것입니다. 일반적으로 매질 속에서 빛은 직진합니다. 빛이 성질이 다른 매질을 만나면 경계면에서 진행 경로가 바뀌는데 이것을 굴절이라고 합니다. 공기 중에서 빛이 굴절하는 이유는 무엇일까요? 지표면을 가열하는 온도가 균일하지 않아 공기층이 불안정해졌기 때문입니다. 아무것도 없는 사막에서 갑자기 오아시스가 보이는 것도 신기루로 인한 현상입니다. 신기루가 사막에서 자주 생기는 이유는 사막의 복사열로 인해 지표 근처가 굉장히 뜨거워졌기 때문입니다. 상대적으로 위쪽보다 지표 근처의 공기 밀도가 작아져 빛의 속력이 빨라지고 이로 인해 빛이 꺾여서 진행합니다. 다른 곳에 있거나 멀리 있는 물체에서 나온 빛이 굴절돼 아무것도 없는 곳에 물체가 있는 것처럼 보입니다. 지표 근처에 있는 것처럼 보이는 물체가 마치 물에 반사된 것처럼 보여서 오아시스가 있다고 착각하는 거죠. 더운 여름 차를 타고 갈 때 멀리 있는 차 앞쪽에 물웅덩이가 있는 것처럼 보이는 현상도 빛의 굴절로 인해 생기는 신기루입니다. 신기루의 원리는 간단한 실험을 통해 알아볼 수 있습니다. 물에 설탕을 진하게 녹인 후 가만히 두면 설탕이 아래쪽으로 가라앉습니다. 그럼 아래쪽의 밀도가 위쪽보다 높아집니다. 설탕물의 농도가 높아지면 굴절률이 커져서 빛의 속도가 느려집니다. 이 설탕물에 레이저를 비추면 신기하게도 레이저가 휘어져 진행합니다. 설탕물의 농도는 깊이에 따라 달라지기 때문에 여러 층의 얇은 매질이 쌓여 있는 셈입니다. 빛은 성질이 다른 매질의 경계면에서 굴절하기 때문에 각 층을 이동하면서 여러 번 굴절한다고 생각할 수 있습니다. 이런 방법으로 빛이 굴절하는 경로를 따라가면 설탕물 속에서 빛이 휘어지는 전체 경로를 알 수 있습니다. 우주에서도 빛이 휘어져 진행하는 일이 일어납니다. 빛은 진행하다가 무거운 별 근처에서 휘어집니다. 이것을 알아낸 사람이 바로 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein 1879~1955)입니다. 아인슈타인은 물체의 질량이 시공간을 휘게 한다고 생각했고 빛이 휘어진 시공간을 따라 운동한다고 설명했습니다. 이것이 일반 상대성 이론입니다. 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표했을 때 사람들은 믿지 않았습니다. 지구 근처에서는 시공간이 휘어진 정도가 작아 빛이 휘어지는 것을 관찰할 수 없었기 때문입니다. 지구 근처에서 가장 무거운 태양에서는 빛이 휘어지는 것을 볼 수 있었지만 태양이 너무 밝아 관찰할 수 없었습니다. 그런데 달이 태양을 가리는 개기일식이 일어날 땐 태양 주위의 별을 볼 수 있습니다. 1919년 영국 천문학자 아서 스탠리 에딩턴(Arther Stanley Eddington 1882~1944)은 밤에 뜬 별과 개기일식이 일어나는 동안 태양 근처에 있는 별의 위치가 달라진 것을 관찰했습니다. 이는 일반 상대성 이론이 맞다는 증거였습니다. 뉴턴의 시대가 저물고 아인슈타인의 시대가 도래했다는 것을 알리는 매우 놀라운 사건이었죠. 멀리서 오는 별빛이 은하처럼 무거운 천체의 중력에 의해 휘어져 여러 개의 별이 있는 것처럼 보이는 현상도 관측됩니다. 이와 같이 중력이 렌즈처럼 빛을 휘게 만드는 현상을 ‘중력 렌즈 효과’라 합니다. 지구에서 80억 광년 떨어진 페가수스 자리 퀘이사(Quasar)는 중력 렌즈 효과 때문에 네 개로 보여 마치 십자가처럼 보입니다. 이것을 ‘아인슈타인 십자가(Einstein Cross)’라 부릅니다. 우리 주위에는 신기하고 놀라운 일이 많이 일어납니다. 공중에 떠다니는 배, 사막의 오아시스, 아인슈타인의 십자가. 과거 사람들은 신기루를 유령 또는 환상이라고 생각했습니다. 하지만 오늘날엔 이런 현상을 과학으로 설명할 수 있습니다.