가난한 대장장이 아들로 태어나 제대로 된 敎育을 받지 못한 채 어린 時節부터 製本所에서 冊을 만드는 일을 도우며 자란 科學者가 있다. 英國人이 가장 사랑하는 科學者를 꼽을 때 第一 많이 言及되는 實驗物理學者 마이클 패러데이(1791~1867)다. 그는 製本을 맡겨두고 찾아가지 않은 과학책들을 통해 수많은 知識과 科學的 思考를 배웠고, 當時 有名한 科學者였던 험프리 데이비(1778~1829)의 助手로 일할 수 있는 所重한 機會도 얻었다.

基礎부터 段階的으로 밟아나가야 하는 體系的인 敎育 過程을 經驗한 적 없는 패러데이는 數學的 知識이 매우 不足했지만, 特有의 直觀力과 성실함으로 수많은 實驗을 훌륭하게 成功해냈다. 以後 그가 남긴 놀라운 業績과 發見들은 제임스 클러크 맥스웰(1831~1879)이라는 天才 科學者에게 이어져 完璧한 理論으로 만들어진다. 事實 패러데이에 關한 이야기만으로도 너끈히 몇 時間을 채울 수 있지만, 오늘 主人公은 패러데이가 아니라 맥스웰이다.

처음 電氣를 實生活에서 使用할 수 있도록 發見한 것은 패러데이였다. 하지만 맥스웰이 없었다면 우리는 如前히 電氣를 神奇한 實驗 裝置로만 여겼을지 모른다. 複雜한 數式을 다루기 어려워했던 패러데이는 自身의 偉大한 經驗을 實驗이라는 方式을 통해 남겼다. 그가 남긴 電磁氣場에 對한 基本 槪念을 비롯해 두 物體가 서로 밀거나 끌어당기는 電氣力, 電氣가 흐르는 物體 周圍로 흐르는 磁氣力, 電磁氣 回轉 裝置 等은 다른 科學者들의 業績과 함께 複雜하게 連結됐다. 于先 電氣力은 電荷를 띠는 物體 사이에서 作用하는 힘인데, 이미 오래前人 그리스 時代부터 사람들은 그 存在를 어렴풋이 눈치 채고 있었다. 植物의 樹脂가 굳어 만들어진 호박을 털가죽으로 문지르면 머리카락이나 먼지가 쉽게 달라붙는다는 것을 알았기 때문이다. 電氣(electricity)라는 單語 自體가 古代 그리스어로 호박(elektron)에서 由來한 것을 보면 確實하다.

磁氣力 亦是 電氣力과 마찬가지로 오래된 힘이다. 古代 그리스 마그네시아 地域의 羊치기는 쇠로 만든 지팡이를 들고 다녔는데, 偶然히 磁鐵石이라는 鑛石이 쇠지팡이를 끌어당긴다는 事實을 알게 된 게 ‘最初의 發見’이라는 이야기가 있다. 그래서 磁石(magnet)이라는 名稱 亦是 마그네시아(magnesia)에서 由來한 것으로 알려졌다.

禮儀 바르고 親切한 天才

1820年 덴마크 物理學者이자 化學者 한스 크리스티안 외르스테드(1777~1851)는 講義 中 電流가 흐르면 導線에서 어떤 일이 벌어지는지를 보여주는 實驗을 하고 있었다. 豫想한 結果는 道詵 溫度가 올라가 뜨거워지는 것이었는데, 놀랍게도 道詵 옆에 가만히 놓여 있던 羅針盤 바늘이 回轉하기 始作했다. 電氣力과 磁氣力 사이에 알 수 없는 關係가 있다는 事實이 밝혀지는 最初의 瞬間이었다. 패러데이는 磁氣力을 통해 電氣를 만들어낼 수 있다는 아이디어를 냈고, 여기에 맥스웰이 自身만의 獨創的인 아이디어를 더했다. 이로 因해 數學的으로 아름답게 整理된 현대 電磁氣學의 理論的 基盤이 定立될 수 있었다. 패러데이를 包含해 여러 科學者가 그린 龍 그림에 마지막으로 눈瞳子를 그려넣어 完全한 生命으로 昇天시킨 것이다.



수많은 逸話를 남긴 科學者들을 살펴보면 性格이 獨特한 境遇가 많다. 勿論 誇張되거나 戱畫化된 部分도 있겠지만, 남들과는 다른 行動과 말套는 同僚들과 圓滿하게 어울리는 社會性보다 외롭고 乖愎한 天才性에 焦點이 맞춰진다. 하지만 맥스웰은 正反對였다. 1831年 英國 에든버러의 넉넉한 金수저 집안에서 태어나 家庭敎師로부터 個人指導를 받은 맥스웰은 好奇心이 많고 남들보다 뛰어난 記憶力을 保有한 英才였다. 父母와 마찬가지로 篤實한 크리스천이던 그는 8歲 때 胃癌으로 어머니를 여의었다. 世上에서 가장 슬픈 離別 瞬間이었지만 맥스웰은 도리어 어머니의 아픔이 끝났다는 것에 기뻐하며 눈물을 흘렸을 만큼 早熟하고 따뜻한 性品을 지녔다. 10歲가 되자 맥스웰은 좀 더 高次元的인 敎育을 받기 위해 에든버러 아카데미에 入學했다. 그는 學校生活에 잘 適應하며 全 科目 고르게 優秀한 成跡을 받는 模範生이 됐다. 特히 14歲에 처음 論文을 썼는데, 2個의 핀과 끈을 利用해 鉛筆로 曲線을 그리면 하나의 集合 形態로 區分할 수 있는 楕圓體들을 만들어낼 수 있다는 內容이었다. 우리나라로 치면 갓 中學校에 들어간 아이의 論文에 科學者들이 關心을 보였고, 에든버러王立學會에서 發表된 以後 天才로 注目받았다. 16歲 때 名文 에든버러大에 入學한 그는 以後 케임브리지大, 마리샬臺, 킹스 칼리지 런던으로 繼續 자리를 옮기며 硏究를 이어갔다.

이때 맥스웰은 自身보다 마흔 살이나 많은 패러데이를 만났고, 電磁氣學에 對한 靈感을 共有하며 수많은 業績을 이뤘다. 그가 設計 過程부터 諮問한 캐번디시硏究所 亦是 數十 名의 노벨賞 受賞者를 輩出했을 程度로 맥스웰은 모든 側面에서 肯定的인 影響을 끼친 存在다. 무척이나 完璧한 삶에 對한 神의 嫉妬였을까. 아쉽게도 그는 어머니처럼 胃癌에 걸렸고, 48歲에 永遠한 安息의 길로 떠났다.

旣存 電磁氣學을 統合한 맥스웰 方程式

맥스웰이 每週 다니던 敎會에서 어느 날 그에게 信仰的인 體驗을 公開的으로 告白해달라고 付託해왔다. 偉大한 物理學者가 이런 干證을 한다면 아직 敎會를 다니지 않는 사람들이 宗敎를 選擇하는 過程에서 說得力이 있을 거라고 期待했던 것이다. 하지만 當時만 해도 科學者에게 干證을 要請하는 건 配慮 없는 行動으로 여겨졌다. 자칫 科學과 宗敎 사이에 紛爭이 일어날 수도 있었기 때문이다. 따라서 맥스웰은 干證을 要求한 敎會 側에 火를 낼 수도 있는 狀況이었지만 오히려 그는 “信仰이란 各自의 마음속에서만 形成될 수 있다”며 鄭重하게 拒絶했다. 어떠한 狀況에서도 禮儀를 잃지 않고 相對方 事情을 헤아리는 그의 態度는 稱讚받아 마땅하다. 또한 科學으로 大衆과 疏通하고자 할 때 어떠한 人品을 갖춰야 할지 생각해볼 수도 있다.

프랑스 物理學者 샤를 오귀스탱 드 쿨롱(1736~1806)은 實驗을 통해 두 電荷 粒子 사이에서 作用하는 靜電氣的人 人力을 거리와 電氣量의 關係로 나타냈다. 이게 바로 電氣力에서 매우 重要한 ‘쿨롱의 法則’이다. 맥스웰은 이를 一般化해 ‘가우스 法則’이라는 첫 番째 方程式을 만들어냈다. 前者가 空間으로 퍼져나가면서 만들어내는 線을 電氣力線이라고 하며, 마치 잘 익은 김장 배춧속처럼 꽉꽉 들어찬 電氣力線의 合을 專屬이라고 부른다. 우리가 萬若 어떤 面積에서 電束密度를 안다면, 가우스 法則을 통해 該當 面積에서 專屬을 求할 수 있다. 쿨롱의 法則이 各各의 個別 電荷 사이에서 發生하는 힘을 表現했다면, 가우스 法則은 하나의 殿下로부터 發散되는 電氣場의 世紀를 보여준다. 쉽게 說明하기 어려운 ‘場’이라는 槪念을 담았다.

두 番째 方程式은 ‘가우스 自己 法則’이다. 가우스 法則을 磁氣力 觀點에서 새롭게 바라보며 홀極(monopole)이라는 하나의 劇만 갖는 것이 不可能하다는 事實을 보여준다. N極과 S劇을 保有한 磁石을 자르면 아무리 작게 잘라도 잘린 자석은 如前히 N極과 S劇을 그대로 갖는다. 2個의 劇을 따로 分離해 하나로 만들 수는 없다는 말이다. 쇳가루가 뿌려져 있는 곳에 磁石을 놓을 때 만들어지는 線을 磁氣力線이라고 볼 수 있는데, 하나의 極에서 나온 磁氣力線은 반드시 다른 極으로 들어가야 한다는 것 亦是 같은 말이다.

세 番째는 패러데이의 ‘電磁氣 誘導 法則’이다. 바로 이 세 番째 方程式 德分에 우리는 電氣를 마음 놓고 使用할 수 있다. 磁束은 假想의 曲面에 作用하는 總 磁氣力을 나타내는데, 磁束이 變하면 그 周邊에 電氣場이 發生한다는 法則이다. 이를 利用하면 고리 模樣 度線을 회전시켜 電氣를 만들어낼 수 있다. 風力發電所, 火力發電所, 原子力發電所 等 存在하는 發電所가 大部分 에너지로 물을 끓여 터빈을 돌리며, 돌리는 힘으로 電氣를 生産한다.
마지막 方程式은 ‘앙페르 回로 法則’이다. 프랑스 物理學者 앙드레마리 앙페르(1775~1836)가 發見했지만 그대로 使用할 수는 없었다. 旣存 앙페르 法則은 電流가 變하지 않는 狀態에서는 問題가 없었으나 時間에 따라 電氣場이 變할 때는 修正이 必要했기에 이를 맥스웰이 補完했다.

世上 모든 電子機器의 胎動 背景

네 가지 方程式을 통해 完成된 맥스웰의 電氣場과 磁氣場에 對한 理論은 旣存 電磁氣學을 統合했다. 單純히 發見된 理論들을 整理한 데서 끝난 것이 아니라, 後續 硏究에까지 莫大한 影響을 미쳤다. 맥스웰 方程式에서 가장 重要한 要素로 定義된 ‘場’은 눈에 보이지 않는 抽象的 槪念이었는데, 當時 物理學者들은 最近 發見된 힉스粒子(粒子物理學의 標準 模型에서 粒子의 質量을 說明하기 위해 導入된 粒子)나 如前히 迷宮에 빠져 있는 暗黑物質(宇宙에 存在할 것으로 推定되지만 아직 直接 觀測하지 못한 物質)처럼 보이지는 않지만 存在할 可能性이 큰 未知의 槪念에 相當히 嚴格했다. 하지만 數學的으로 完璧하게 說明해낼 수 있다 보니 多少 具體的이지 않더라도 決코 無視할 수 없었다. 以後 物理學界에는 아직 發見하지 못한 假想의 무언가에 對해 比較的 너그러운 雰圍氣가 만들어졌다. 아인슈타인 亦是 맥스웰 方程式으로부터 時空間에 對한 革新的인 아이디어를 發見했고, 이를 土臺로 一般相對性理論의 基盤을 構築할 수 있었다. 맥스웰 方程式에서 相對性理論으로 넘어가는 數學的 誘導가 比較的 簡單했기 때문에 맥스웰이 더 오래 살았다면 아인슈타인보다 먼저 相對性理論을 發表했을 거라고 생각하는 科學者들도 있다. 그만큼 그의 天才性과 짧았던 生涯가 모두에게 아쉬웠으리라.

길지 않은 삶 동안 現代 物理學에 偉大한 業績을 남기고, 理工系 學生들의 憧憬 對象이 된 天才 科學者의 遺産들은 손만 뻗으면 닿는 곳에 어디든 存在한다. 電磁氣學에 對한 理解가 없다면 携帶電話나 노트북, 甚至於 자그마한 이어폰조차 만들 수 없다. 如前히 蒸氣로 가는 自動車를 타고, 고무줄과 말뚝박기만 하며 놀았을 우리에게 작지만 巨大한 電氣的 世上을 열어준 맥스웰이 깊이 존경스러울 따름이다. 그래서 적어도 그의 硏究 德分에 使用할 수 있는 인터넷 檢索窓에서라도 맥스웰의 이름이 커피 브랜드보다는 繼續 上段에 露出됐으면 좋겠다.

_{軌道는… 
연세대 天文宇宙學科 學部 및 大學院을 卒業하고 韓國天文硏究院 宇宙監視센터와 연세대 宇宙飛行制御硏究室에서 勤務했다. ‘軌道’라는 藝名으로 팟캐스트 ‘課長窓’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 進行 中이며, 著書로는 ‘軌道의 科學 虛勢’가 있다.}