1. 전자기 이론이란?
전자기 이론은 전기와 자기에 대한 연구를 말하며 오랜 발전 역사를 가지고 있습니다.
사실 인류는 번개와 자석 등을 통해 오랫동안 전기와 자기의 존재는 인지해왔지만 그 둘의 연관성은 생각해보지 못하고 서로 다른 학문으로서 발전시키고 있었습니다. 그런데 19세기 초 한 과학자에 의해 흥미로운 사실이 발견되죠.
2. 전기와 자기의 연관성을 처음 발견하다.
1820년 덴마크 물리학자 한스 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777-1851)는 전류가 흐르는 전선 주변에 나침반이 북쪽을 가리키지 않는다는 것을 처음 발견합니다. 전기와 자기의 연관성을 발견한 것입니다.
3. 전기와 자기는 하나다?
한스 외르스테드가 전기와 자기의 연관성을 발견한 다음 해, 영국의 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)는 외르스테드의 연구를 바탕으로한 실험에서 자기의 변화 또한 전류에 변화를 일으킨다는 사실을 발견합니다. 서로 별개로 보았던 전기와 자기는 사실 하나의 세트로 존재한다는 것을 발견한 것이죠. 그리고 장(Field)의 개념을 처음 도입합니다. 패러데이의 이 연구는 현재 전자기장 이론의 토대를 마련하였지만 아쉽게도 수학에 약했던 패러데이는 이 놀라운 발견을 하고도 수학적으로 아름답게 정리할 수가 없었습니다.
4. 더 나아가 빛은 전자기장의 파동이라고??
페러데이가 제안한 전자기장의 수학적 설명은 19세기 중반 스코틀랜드의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)이 완성합니다. 그는 패러데이와 다른 과학자들의 연구를 전기장과 자기장의 움직임을 설명하는 네 가지 방정식으로 통합하고 발전시켰습니다.
그 네 가지 방정식을 간단히 말로 풀어서 설명하자면 이렇습니다.
즉, 인류가 전기든 자기든 원하는 만큼 생성할 수 있게 되었다는 것이죠.
이 뿐만 아니라 맥스웰의 방정식은 전자기파의 속도가 당시 여러 과학자들이 이론과 실험적으로 입증한 빛의 속도와 거의 일치하며, 반사, 굴절 등 빛의 성질이 빛과 같다는 것을 보여주었습니다. 이러한 유사성 때문에 맥스웰은 전자기장과 자기장의 연쇄 파동인 전자기파가 곧 빛이라는 전제를 세우고 파장에 따라 여러 종류의 빛이 존재하며, 우리 눈에 보이는 가시광선 이외에 더 짧거나 긴 파장의 빛 또한 존재할 것이라는 주장을 하게 됩니다. 그리고 이는 뒤에서 다룰 실험으로 사실로 밝혀지게 되죠. 인류가 추앙하던 빛은 사실 전자기파의 일종이였던 것입니다!
다른 놀라운 사실은 맥스웰 방정식에서 전자기파는 진공에서 항상 일정한 속도를 갖는다고 설명하는데, 이 또한 1887년 미국의 물리학자자 마이컬슨(Albert Abraham Michelson, 1852-1931)과 몰리(Edward Williams Morley, 1838-1923)의 실험으로 사실로 밝혀집니다. 즉, 우주에 더 이상 빨라질 수 없는 한계 속도가 존재한다는 것입니다. 이 사실은 훗날 아인슈타인의 상대성이론의 토대가 되기도 하죠.
5. 빛은 전자기 스펙트럼의 작은 부분에 불과하다.
맥스웰의 이론은 19세기 후반에 일련의 실험을 통해 전자기파의 존재를 입증한 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857-1894)에 의해 더욱 발전되었습니다. 헤르츠의 실험을 정말 간단히 설명하자면 이러합니다. 스파크를 일으키는 송신기와 스파크를 일으키는 수신기를 몇 미터 거리에 떨어뜨려 놓고, 송신기에 전기 스파크를 일으키면 수신기에도 스파크가 일어나는지를 관찰하는 것이죠. 실험은 수신기에서도 스파크가 일어나는 것을 확인했고, 이것은 송신기에서 일어난 전자기파가 공간을 지나 수신기로 전달되고 있다는 것을 보여주는 것이었습니다. 우리 눈에 보이는 가시광선의 파장 이외의 파장도 빛과 같은 원리로 공간을 통해 이동하고 있다는 것입니다. 바로 라디오 전파의 발견이었죠.
헤르츠의 이 실험은 전자기 이론에 대한 강력한 실험적 증거를 제공했으며, 훗날 마이크로파, 적외선, 자외선, X선, 감마선 등을 발견하는 중요한 단서가 됩니다.
전자기 이론은 빛의 본질과 빛과 물질 사이의 상호 작용에 대한 이론으로 발전됩니다.
전자기 이론은 물리적 세계에 대한 우리의 이해에 깊은 영향을 미쳤으며, 라디오, 텔레비전, 컴퓨터와 같은 전기 신호를 송수신하는 기술뿐만 아니라 발전기, 모터, 변압기의 개발을 포함한 수많은 실용적인 응용 분야에 토대가 되었습니다.
자! 현대 물리학의 발전 과정 중 큰 부분을 차지하지만 지극히 일부분이기도 한 부분을 지나쳐 오고 계십니다. 마치 전자기 스펙트럼 중 가시광선 영역처럼 말이죠. ㅎㅎ
이제 다음 내용으로 넘어가죠!
특수상대성이론의 탄생 : 빛에서 비밀을 풀다