0. 전자기학의 역사 [맥스웰과 아인슈타인] (1) 전자기학의 시작

 맥스웰의 전자기장 이론은 현대 이론 물리학의 주요 기둥 중 하나이며, 현대 물리학에 크게 응용되는 아인슈타인의 특수 상대성이론 발전에 핵심적인 역할을 하였습니다.

 

 전자기장이 어떤 길을 걸으며 발전해왔는지를 알면, 전자기학을 이해하는데 도움이 될 것이라고 생각합니다. 그래서 오늘은 고대 전자기의 등장부터 맥스웰을 지나 아인슈타인이 특수 상대성이론을 발표한 1905년까지, 전자기학 속 큰 사건들을 역사적으로 간략하게 알아보겠습니다. 

 

 과학적 논쟁으로서 전자기의 등장은 자연적으로 발생한 호박(amber)과 천연자석(자철석)으로 보고있습니다. 

호박은 문질렀을 때 근처 짚이나 모피 조각과 같은 다양한 가벼운 물질들을 끌어당겼고, 자철석은 주위 철로 된 물체들을 끌어들였습니다. 전하의 개념이 없던 고대에는 이 현상이 마술처럼 보였을 것입니다! 두 물체 사이에 아무것도 존재하지 않는데 물체가 움직이다니요!

 

문지르면 가벼운 물질을 끌어당기는 호박과 주위 철을 끌어당기는 자철석

 

 고대 그리스, 로마, 중국문명은 어떤 물체는 끌어당긴다는 특성이 있다는 것을 알고, 호박과 자철석을 실험한 것으로 생각됩니다. 그리스 최초의 철학자 탈레스는 이 둘을 이용해 실험을 한 것처럼 보이고, 중국은 아주 오래전부터 자철석으로 나침반을 만들어 사용했기 때문입니다. (자석을 지남철, 즉 남쪽을 가리키는 철이라고도 부르는 것을 보면, 자석에 남북을 가리키는 성질이 있다는 사실을 오래 전부터 알고 있었던 것은 분명해 보입니다.)

 

 이제, 과학 르네상스가 유럽에서 시작할때까지 호박과 자철석에 대해 얘기하는 것은 의미가 없습니다. 아주 오랫동안 큰 발전이 없었지요. 그러다 16세기 중반 이탈리아의 과학자 제롬 카르단은 고대 사람들은 발견하지 못한 호박과 자철석의 차이점에 주목했습니다. 가령 자철석은 철을 양 끝(극)에서 끌어당기지만 호박은 그런 분극 현상이 없다던가, 호박은 문질러야만 물체를 끌어당겼지만 자철석은 있는 그대로 두어도 물체를 끌어당기던가 하는 것입니다. 이처럼 제롬 카르단은 두 물체의 속성을 나열, 대조함으로써 각각의 차이에 대한 사례를 널리 알렸고, 이 연구는 전자기에 있어 가장 중요하다고 여겨지는 영국의 과학자 윌리엄 길버트(1544-1603)의 초기 연구로 이어졌습니다.

 

 실험 철학의 주창자 중 하나인 윌리엄 길버트는 1600년에 호박처럼 문지르면 물체를 당기는 특성을 가진 물질들을 여럿 발견하였고 (압축한 석탄, 다이아몬드 등) 이를 그리스어로 호박을 뜻하는 단어인 '전기(electrics)'라 이름붙였습니다. 이로 인해 전기현상과 자기 현상은 별도로 파악되고 설명되어야 하는 현상들로서 나뉘게 되었습니다. 또한 실험을 통해 전기의 끌어당기는 특성은 마찰(문지르기)에서 비롯된 가열일 경우에만 나타난다는 것과 두 물체 사이의 거리가 멀어질수록 두 물체 사이의 전기적 및 자기적 인력이 감소한다는 것을 보여주며 전기와 접촉하면 끌리는 물체가 곧 떨어질 것이라는 사실 역시 보여줬습니다.

 자기 실험에서 길버트는 철가루를 사용하여 자석 주위에 패턴을 표시함으로써 '자기장(magnetic field)'이라고 불리는 것을 설명했습니다. 또한 나침반이 북극을 가리키는 이유가 북극성 혹은 북극 근처에 매우 커다란 자석으로 이루어진 섬 때문이라는 그 당시 사람들과의 생각과 달리 길버트는 지구 자체가 큰 자성체라고 설명하며, 그의 생각이 담긴 지구 모형을 '작은 지구'라는 의미에서 "테렐라"(Terrella)라고 이름 붙였습니다. 그는 실험을 통해 '지구는 하나의 거대한 자석이며, 이것이 나침반이 항상 북쪽을 가리키는 이유이다' 라는 결론에 도달하였고, 이는 지금도 옳은 주장이며, 그 당시 지금까지의 생각들을 뒤엎는 주목할 만한 이론이었습니다. 이처럼 길버트는 많은 실험을 통해 전기와 자기를 구분하고 그 특성에 대해 알아냈으며, 갈릴레이와 케플러 등 많은 학자들에게 큰 영향을 끼쳤습니다. (사담으로, 갈릴레이는 《자석에 관하여》를 읽고 큰 감명을 받아 자신의 책에 윌리엄 길버트를 "최초의 과학자"라고 칭하였고 케플러가 지인과 나눈 편지에는 "나에게 날개가 있다면 영국으로 날아가 길버트와 이야기하고 싶습니다. 그의 기본 법칙을 통해 행성의 운동을 증명할 수 있으리라 믿습니다"라고 적혀있다 합니다!)

 

윌리엄 길버트와 그의 저서 <자석에 관하여>, 그리고 그의 테렐라 모형. (출처 : 위키백과, 윌리엄 길버트)

 

 17세기에 들어, 1629년 이탈리아의 과학자 니콜로 카베오는 전기로 분류되고 전기의 반발을 관찰할 수 있는 많은 물질들을 실험, 나열하는 중요한 작업을 하였고, 1670년대 영국의 과학자 로버트 보일리는 호박의 인력이 주변 공기에 기인한 것인지에 대한 실험에서 진공에서도 여전한 효과를 보여주며 성공적인 결과를 얻었습니다.

 

 또한 18세기 초 영국의 프란시스토크스비는 실에 나사산을 매달아 전기 인력을 관찰하는 실험을 통하여 '전기장(electric field)'의 개념을 도입하였고 1792년 스티븐 그레이는 굵은 실을 와이어로 사용하여, 아무리 긴 실이라도 한쪽 끝을 충전하면 다른 쪽 끝에 전하가 관찰된다는 전하의 이동을 기록하였습니다. 1734년 프랑스의 샤를 뒤 파이는 실험을 통해 두 가지 유형의 힘(인력, 척력)을 처음으로 공식화했으며 각 유형의 전기가 같은 양의 전기를 정확이 중화한다는 의미에서 '전기량(amount of electricity)'이라는 개념을 개발하였습니다. 18세기 중반에 들어 벤자민 프랭클린은 이와 상응하는 '플러스(plus / positive)'와 '마이너스(minus / negative)'라고 불리는 형태를 만들어냈습니다.

 

 이번 포스터에선 고대 사람들이 발견한 호박과 자철석의 마술부터, 수 세기 동안 여러 훌륭한 과학자들이 실험을 통해 알아낸 최초의 개념적 전하까지 그 역사를 알아보았습니다. 이 글을 적으면서 '실험을 통하여'라는 말을 참 많이 했는데요, 전자기학은 그 어떤 물리학보다 더 '실험의 학문'이라는 생각이 듭니다. 다음 포스터는 프랭클린 이후 이 시기에 발전한 전자기학에서 유일한 양적 결과인 쿨롱의 법칙부터 시작하겠으며, 자기학의 아버지 윌리엄 길버트가 저서 <자석에 관하여>에서 강조한 실험 과학의 중요성에 대해 언급하면서 마무리하겠습니다. 

 

 "비밀스러운 것들의 발견에서, 그리고 숨겨진 원인들의 탐구에서 더 강력한 이유들은 철학적 사색가들의 그럴듯한 추론과 의견이 아닌 확실한 실험과 증명된 논증에서 나온다. 기하학이 가장 고상하고 가장 어려운 증명을 위해 조금 미약하고 즉자적으로 이해된 토대들에서 때맞춰 솟아오르자, 그로부터 창조적 정신이 창공 위로 솟아올랐다. 우리의 자기 원리와 과학도 마찬가지인데, 순서별로 보면, 먼저 약간 드문 사건과 관련된 일정한 사실들을 설명해주고, 여기서부터 좀 더 예외적인 종류의 사실들로 나아가 마침내 지구에 있는 가장 비밀스럽고 내밀한 것들이 드러난다. 그리고 옛사람들의 무관심으로 또는 현대인의 무관심으로 눈에 띄지 않았거나 주목받지 못했던 것이 그 원인이라는 것을 알게 된다."

 

 

 

참고문헌 : Graham hall, Maxwell's electromagnetic theory and special relativity, 2008

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