패러데이 & 맥스웰

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패러데이 & 맥스웰 표지
정동욱, 『패러데이 & 맥스웰 : 공간에 펼쳐진 힘의 무대』 (김영사, 2010).

자석은 그 주위에 있는 철을 끌어당긴다. 머리를 빗던 빗은 근처의 머리카락을 잡아당긴다. 과학책을 보면 엄청나게 떨어져 있는 태양이 지구를 잡아당긴다고도 한다. 그러나 이에 대해 가만히 생각하다 보면 이러한 현상들이 무척이나 이상한 일이라는 것을 느끼게 될 때가 있다. 어떻게 서로 떨어져 있는 물체들 사이에 힘이 전달될 수 있단 말인가?

솔직히 고백하자면, 몇 년 전까지만 해도 나는 이를 이상하게 여긴 적이 없었다. 모든 물체 사이에는 거리의 제곱에 반비례하는 힘이 작용한다는 만유인력의 법칙이 교과서에 적혀 있었기 때문이다. 고등학교 시절 나는 그 법칙을 이용해 수많은 문제를 풀었지만, 그 법칙이 어떻게 작동할 수 있는지 ‘왜’나 ‘어떻게’라는 질문을 던져본 적이 없었다. 설사 ‘힘의 전달’에 대해 의문이 들었다고 하더라도, 아마도 나는 그것을 쓸데없는 공상으로 치부했을 것이다.

그러나 ‘힘의 전달’이라는 문제는 절대로 쓸데없는 고민이 아니다. 실제로 텔레비전이나 휴대폰과 같이 전파를 사용하는 모든 제품들은 힘이 전달되는 특정한 방식을 통해 작동하기 때문이다. 방송국에서 보낸 전파를 수신하여 텔레비전을 본다는 말을 생각해보자. 물리적인 용어로 바꾸어 말하면, 이는 방송국의 전기 회로에 흐르는 전류의 변화에 따른 힘이 전자기 파동(전파)을 통해 전달되어 우리 집의 텔레비전 회로에 작용한다는 것을 의미한다. 즉 텔레비전이 작동하는 원리 속에는 방송국의 송신 장치와 우리 집의 텔레비전처럼 멀리 떨어진 물체들 사이에 힘이 어떻게 전달되는지에 관한 근본적인 고찰이 들어 있는 것이다.

이 책에서 살펴볼 두 주인공 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)와 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)은 바로 ‘힘의 전달’이라는 문제를 진지하게 고민하여, 물체 사이의 힘을 매개하는 ‘장’이라는 개념을 처음으로 고안하고 발전시킨 사람이다. 패러데이는 전자기 현상을 연구하는 과정에서 ‘원거리 직접 작용’을 버리고 힘이 ‘힘의 선’을 통해 점진적으로 전달된다는 개념을 처음으로 제안했으며, ‘장’이라는 단어도 그에 의해 처음 사용되었다. 맥스웰은 이를 발전시켜 모든 전자기 현상을 역학적 매질의 작용으로 설명할 수 있는 수학적인 ‘전자기장’ 이론을 완성했으며, 힘이 전달되는 데 시간이 걸릴 것이라는 패러데이의 추측도 정확한 전달 속도 값을 통해 드러내 주었다.

그렇다면 패러데이와 맥스웰은 어떠한 연유로 ‘원거리 직접 작용’이라는 뉴턴의 공고한 개념을 버리고 새로운 방식의 ‘힘의 전달’을 고민하게 되었을까? 또 그들은 ‘장’이라는 새로운 개념을 어떻게 만들어낼 수 있었으며, 그들의 개념은 어떤 변화 과정을 겪어 완성되었을까? 이 책의 본문에서는 총 다섯 장에 걸쳐 패러데이와 맥스웰의 삶과 연구를 좇으면서, ‘장’ 개념이 처음 등장하고 발전해 가면서 점점 원숙한 과학의 개념으로 자리 잡는 과정을 보여주려고 한다. 이를 통해 우리는 완성된 과학의 모습이 아닌 만들어지고 있는 과학의 모습을 생생하게 볼 수 있을 것이며, 그 과정에서 오늘날 과학의 ‘장’ 개념을 구성하고 있는 요소들도 더욱 선명하게 볼 수 있을 것이다.

만남1에서는 패러데이와 맥스웰의 성장 과정과 과학적 훈련 과정을 살펴볼 것이다. 그들이 받은 교육과 과학적 훈련 과정은 그들의 연구 주제와 연구 스타일에 상당한 영향을 주었다. 이를 통해 우리는 그들이 앞으로의 연구에서 사용하게 될 방법과 개념들을 미리 엿볼 수 있을 것이다.

만남2에서는 ‘힘의 선’이라는 개념이 처음으로 고안되는 과정을 살펴볼 것이다. 패러데이는 공간에 펼쳐진 ‘힘의 선’이라는 개념을 전자기 회전과 전자기 유도를 발견하는 과정에서 처음으로 고안했다. 그 연구 과정을 세밀하게 관찰함으로, 전자기 현상의 어떤 특징이 패러데이로 하여금 ‘원거리 직접 작용’을 의심하도록 만들었는지, 그리고 패러데이의 어떤 연구 스타일이 그로 하여금 ‘힘의 선’을 그리도록 이끌었는지 살펴볼 것이다.

만남3에서는 패러데이가 ‘힘의 선’ 개념을 입증하기 위해 수행했던 실험들을 검토하면서, 그 과정에서 그의 ‘힘의 선’ 개념이 어떻게 변화해 가는지를 살펴볼 것이다. 그 과정에서 우리는 ‘힘이 전달되는 경로’에 가까웠던 ‘힘의 선’ 개념이 ‘힘을 직접 전달하는 운반자’로 조금씩 변화해가는 것을 확인할 수 있을 것이며, ‘힘의 선’의 실재성에 대한 패러데이의 믿음 또한 그와 함께 공고해져가는 것을 엿볼 수 있을 것이다.

만남4에서는 맥스웰이 패러데이의 ‘힘의 선’을 발전시켜 ‘전자기장’ 이론으로 완성시키는 과정을 다룰 것이다. 맥스웰은 “패러데이의 ‘힘의 선’에 관하여”, “물리적 ‘힘의 선’에 관하여”, “동역학적 전자기장 이론” 세 편의 논문을 통해 자신의 전자기장 이론을 발전시켰다. 세 편의 논문을 차례차례 검토함으로써, 맥스웰이 패러데이의 ‘힘의 선’ 개념을 수학적으로 정교한 이론으로 탈바꿈시키기 위해 어떠한 도구를 사용했는지, 그리고 그 도구가 ‘전자기장’ 개념에 다시 어떠한 영향을 미치게 되었는지 살펴볼 것이다.

만남5에서는 지금까지의 논의를 종합하여 패러데이와 맥스웰의 ‘장’ 개념이 변화하는 과정을 정리하면서, 맥스웰 이후의 변화도 간략하게 다룰 것이다. 사실 오늘날의 ‘장’ 개념은 패러데이와 맥스웰이 차린 밥상에 얹은 아인슈타인의 숟가락에 의해 완성되었다. 그 숟가락이 패러데이와 맥스웰의 ‘장’ 개념에 어떤 변화를 주었는지 살펴볼 것이다.

사실 패러데이와 맥스웰의 연구는 ‘장’에 대한 연구에만 한정되지 않는다. 패러데이는 벤젠을 발견하거나, 압력에 따른 물질의 상태변화를 발견하는 등 화학 분야에서도 중요한 발견을 이루었고, 맥스웰은 열-통계 역학의 토대를 닦았으며, 빛의 3원색을 밝혀내어 컬러 사진을 만들어내는가 하면, 자동 제어 이론에 관한 선구적인 논문을 발표하기도 했다. 그러나 이 책에서는 패러데이에서 맥스웰로 이어지는 ‘장’ 개념의 발전 과정에 초점을 맞추다보니, 그와 관련이 적은 다른 연구들은 빼거나 축소시킬 수밖에 없었다. 이 점 독자들의 양해를 바란다. 이제 패러데이와 맥스웰을 만나러 가보자.

간략한 인물 소개

마이클 패러데이(1791-1867) 영국의 화학자·물리학자. 왕립연구소의 실험 조수로 과학자의 경력을 쌓기 시작하여 압력을 이용한 기체 액화법과 전기분해 법칙을 발견했으며, 오늘날 전동기와 발전기의 기초가 되는 전자기 회전 현상과 전자기 유도 현상을 발견했다. 이후 전기와 자기 작용이 공간에 펼쳐진 힘의 선을 따라 점진적으로 전달된다는 장 개념을 발전시킴으로써, 현대 전자기장 이론의 기초를 마련했다.

제임스 클러크 맥스웰(1831-1879) 영국의 물리학자. 빛, 열, 전자기 현상을 역학과 통합하여 고전 물리학을 정립했다. 특히 패러데이의 힘의 선 개념을 발전시켜 모든 전자기 현상을 탄성 매질의 운동과 변형으로 설명하는 전자기장 이론을 완성하였고, 그 과정에서 ‘맥스웰 방정식’을 만들어냈다. 이 방정식을 통해 빛의 속도로 전파되는 전자기파의 존재를 이론적으로 예측하는 동시에 빛이 곧 전자기파임을 주장했다.

책의 목차

정동욱, 『패러데이 & 맥스웰 : 공간에 펼쳐진 힘의 무대』 (김영사, 2010)