패러데이 & 맥스웰 기획

• 공간에 펼쳐진 힘의 무대: 패러데이 & 맥스웰
• ‘힘의 선들’로 공간을 채워라(채우다): 패러데이 & 맥스웰

2nd Street. 지식인과의 만남

패러데이가 만난 세계

화학자 패러데이

(30년대 전기 동일성 증명 때 쓴 방법도 화학적 방법)

전자기 실험의 ‘힘의 선들’

19세기 초 전기와 자기는 약간은 신비한 대상이었다. 전기는 흔히 +전기와 -전기로 구분되었고, 자기는 N극과 S극으로 구분되었는데, 같은 전기, 같은 자극까리는 밀며(척력), 다른 전기, 자극끼리는 당긴다(인력)는 사실이 알려져 있었다. 그리고 전기 및 자기에 의한 척력과 인력은 중력처럼 거리의 제곱에 반비례한다는 공통점을 가지고 있었다. 전기와 자기의 본질에 대해서는 의견이 분분했지만, 무게가 없는 아주 미세한 물질들로 구성되어 있을 것이라는 게 대다수 학자들, 특히 프랑스 학자들의 생각이었다. 이러한 생각에 따르면, 우리 세계에는 무게가 있는 보통 물질 외에도, 무게가 없는 +전기, -전기, N자기, S자기와 같은 물질들이 공존하고 있는 셈이었다.

역제곱 법칙을 만족하는 인력/척력이 작용한다는 공통점을 제외했을 때, 전기와 자기 현상은 일반적으로 별개의 현상으로 취급되었다. 사실 전기와 자기는 비슷한 점이 별로 없었다. 당시 전기의 전형적인 현상은 ‘찌릿’ 하는 쇼크와 ‘파밧’ 또는 ‘번쩍’ 하는 스파크(번개)인데 반해, 자기의 전형적인 현상은 ‘소리없는’ 끌어당김과 밀쳐내기였다. 번개에 의해 나침반이 교란되거나 철이 자화된다는 보고가 있긴 했지만, 그것을 진지하게 전기와 자기의 상호작용으로 해석한 사람은 없었다.

예외가 없는 것은 아니었다. 자연의 모든 힘이 연결되고 통일되어 있다고 믿었던 독일 자연철학주의자(Naturphilosopher), 리터(Johann Ritter)는 1804년에 전지가 자석에 미치는 영향이나 자석에 의한 물의 전기분해를 보고하기도 했다. 그러나 그의 신뢰할 수 없는 주장은 프랑스 수학자들의 놀림감이 되었을 뿐이었다. 전기와 자기를 별개의 물질에 의한 작용으로 생각했던 그들은 이러한 시도 자체를 터무니없는 짓으로 생각했었다. 사건은 리터의 덴마크 친구, 외르스테드에게서 시작되었다.

전자기 회전

외르스테드 효과의 보조기억장치 및 표상 및 전달 도구로서의 곡선 & 그것의 발전적 형태로서, 현상의 안정적 가시화 도구로서의 전자기 회전 어떻게 원운동을 생각하여 장치로 고안하게 되었는지 디테일하게 추적. 물리적 연구 전통이 아닌 화학적 연구 전통의 역할 강조.

힘의 선들

현상의 해석 도구로서의 역선 - 도선이 역선을 가로지를 때 그 만큼 전류 유도 아라고 원판과 단극 유도 : 설명(아라고 원판)과 예측(단극유도)에 사용되는 역선

자체 유도와 스파크

회로를 끊을 때 일어나는 스파크가 전자기 상호 유도와 원리적으로 동일한 현상인 자체 유도에 의한 현상임을 그럴듯하게 보임으로써, 전기 유체의 모멘텀에 의해 스파크가 일어난다는 설명에 대안 마련. 즉 전기 유체에 대한 의심 점점 커짐. 전기는 어떻게 존재하는가? 이 질문은 이후 패러데이의 행보에 중요한 역할.

‘힘의 선들’로 그린 반뉴턴적 세계

정전기 유도 : polar conception of force의 도입

자기력선 도입의 설명적 성공에 힘입어 이를 기존 전기, 자기 연구에 적용. 자신의 아이디어와 기존 아이디어 비교 검토. 전기와 물질의 관계에 대한 근본적인 재고. 유체로서의 전기 이론 근본부터 의심. 전도체와 절연체의 구분 의심. 전하는 어디에 있는가? 전하는 물질적일까? 전하는 물질적인 것이 아니라, 물체 사이의 polar tension의 manifest일 뿐. 전하(pole)는 polar tension의 매듭 정도? -> (1) polar tension을 유지해주는 유전체가 전하 형성에 필수적 (2) 힘은 물체 사이의 입자들 사이의 연쇄적인 유도 작용에 의해 전달 -> 매질에 영향을 주지 않는 원거리 직접 작용 배제 (3) 물질마다 polar tension 유지하는 능력 다를 것 -> 정전기 유도 용량 측정 실험 : 절연체가 전하에 영향을 준다는 것 입증. 문제는 진공도 힘 전달 -_-; (4) 사고실험 : “지구+공기”가 잉여의 +/- 전기로 대전되어 있다면 이를 알 수 있을까? 대전되어 있더라도 알 수 없음 -> 패러데이 케이지 실험. +/-전하의 절대적 기준 없다는 쪽 선호. 이 입장이 polar conception of force에 잘 맞음.

• 새로운 용어의 도입: 예컨대 pole 대신 ..., 유전체(dielectric).
• 전기 유도선: 전기 방전 스트로보스코프로 관찰하여 그림. 방전선의 모양은 배치에 의존. 마치 자석 주변의 철가루가 여러 주변 환경에 의존하듯이.
• 전기와 자기의 통합 이론 고민 but 자기는 전기와 달리 철, 니켈 등에만 영향 준다는 한계
• 38년부터 45년까지 병.

반자성체 발견과 자기 유도 : 자기 작용의 보편성과 자연의 경제성 원리에 따른 운동 & 역선의 실재성?

자기는 모든 물질에 영향. 물질마다 자기 conduction 능력 상대적. 진공도 자기 conduction 능력 있음. 진공을 기준으로 반자성체, 자성체, 강자성체 구분. 자성체는 역선이 강한 곳으로, 반자성체는 역선이 약한 곳으로 이동하려는 경향 -> 패러데이의 목적론적 설명 : “물체는 힘의 전달을 방해하는 양을 줄이는 쪽으로 이동” (자연의 경제성) -> 자기 작용에 의한 물체의 운동이 주변 물질과의 자기 conduction 능력 차이에 달려 있음. 반자성체처럼 움직일지, 자성체처럼 움직일지는 주변 매질이 무엇이냐에 달려 있음. 즉 자기 conductivity는 상대적인 것이지 절대적인 것이 아님.

패러데이의 반-뉴턴적 장 개념 vs. 전기유체 이론 + 원거리력 비교

하나의 힘의 두가지 형태, 전기와 자기. 에테르에 대한 패러데이의 입장. 일반 물질에도 확장하여 중력까지 고민.

맥스웰이 만난 세계

윌리엄 톰슨

• 편미분 방정식과 포텐셜 이론을 통한 정전기력선 분석 (1845)
• 탄성 고체의 선 및 회전 (응력) 변형력의 분포가 전기 및 자기력 분포와 비슷하다는 “수학적 유비” (1847)
• 편광면 회전의 오른 방향성을 설명하기 위한 소용돌이 매질 가정 (1856)
• 일반적 유비 방법 [푸리에의 열 전달 이론을 전기 전달에 수학적 유비]
• “동역학적” 열 이론 (1851) [입자 사이의 인력/척력 대신체계의 내적 운동으로부터 생기는 힘], 개별 분자들의 회전 운동 가정. William Rankine은 이를 “분자 소용돌이”로 부름. 그리고 이는 1856년 자기 매질의 소용돌이 운동을 가정하도록 이끈 원천 (Crosbie Smith and Wise 1989; Siegel 1991).

뉴턴의 품에 들어온 ‘힘의 선들’

소용돌이 분자 모형과 자기 현상의 설명

• 연속체 역학 : 응력(stress) - 변형(strain)에 대한 수학적 분석 능력

전자기 에테르의 파동으로서의 빛

• 정전기적 전하 단위와 전자기적 전하 단위의 통합 문제와 전자기파의 속도 계산
• dimensional method

예쁘게 다듬어진 전자기장 이론과 그 내적 긴장

전자기장에 대한 동역학 이론 (1964)

• “동역학”과 “역학” : 속도 조절기(governor)와 플라이휠 효과
• 맥스웰은 속도 조절기에 관한 매우 고전적인 논문을 쓴 바 있음.

에너지 물리학과 에테르 : 남아 있는 scaffolding

• 모든 에너지는 역학적 에너지!
• 에테르의 역학적 모형은 사라졌지만, 모종의 역학적 시스템으로서의 에테르는 건재

뉴턴 vs. 맥스웰 : 뉴턴주의적 에테르를 통해 전달되는 비뉴턴주의적 힘

• 트릭은? 탄성 매질
• 뉴턴 vs. 맥스웰 갈등 해법은? 뒤에

맥스웰 그 후

아인슈타인의 에테르 없는 전자기장: 특수상대성 이론

• 뉴턴 방정식과 맥스웰 방정식 모두 보존하고자. 에테르 없애고, 운동학과 시간 맞추기의 문제 재고.

같이 보기

• 패러데이 & 맥스웰 참고자료