흥미진진 과학스토리 <62> 아인슈타인과 창의력 (3)

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흥미진진 과학스토리 <62> 아인슈타인과 창의력 (3)

 

   맥스웰, 빛의 정체를 밝히다.

 

거듭 말하지만, ‘광양자 가설’과 같은 생강은 아인슈타인이 가장 먼저 한 것은 결코 아니다. 아인슈타인에게 영감과 지적인 토대를 제공한 과학의 거인들이 있는데 그 중에서 아인슈타인이 가장 존경했던 과학자 한 명을 뽑으라면 그는 당연히 제임스 클라크 맥스웰(James Clerk Maxwell,1831 ~ 1879) 이다. 아인슈타인 뿐만 아니라 웬만한 과학도라면 맥스웰의 위대함을 평가하는데 인색한 사람은 없다.

 

맥스웰은 아인슈타인이 가장 존경한 과학자라고 한다. 그리고 뉴턴과 아인슈타인과 더불어 인류 최고의 과학자로 꼽히고 있다.

아래의 맥스웰 방정식을 내가 이해할 수만 있다면 얼마나 좋을까 하는 상상을 해보곤 한다. 방정식을 유도해 보고 싶다가고 번번히 수학의 장벽에 막히면서 나날이 겸손해 진다.

방정식을 이해하지는 못하지만, 성경을 근거로 설교하는 목사가 있듯이 우리에게는 과학을 설명해 주는 ‘과학커뮤니케이터’들이 있다. 입문서들이 쉽게 설명을 해 주기도 하니 그렇게 실망할 일만은 아니다.

아인슈타인을 위대하게 만든 근원이 맥스웰이라면 빛의 성질을 최초로 밝히고 장치를 통해서 보여준 사람은 마이클 패러데이(1791~1867, 영국)라는 실험물리학자다. 독학으로 공부한 그는 수학적 기초가 부족했지만 뛰어난 업적들을 많이 남긴다. 맥스웰의 방정식은 패러데이의 실험을 수학적으로 완성한 것이다. 우리는 아인슈타인을 이야기하고 있으므로 패러데이는 다음 기회에 만날 수 있기를 기대해 본다.

 

 

 

 

(맥스웰 방정식, 나는 너무 이해하려 들지 않는다. 다만 전문가의 해석을 기대할 뿐이다)

 

이 방정식이 발표되고 난 후 독일의 하인리히 루돌프 헤르츠가 라디오파를 인위적으로 만드는데 성공한다. 전자기파의 존재를 증명하게 된 것이다.(1888년) 이 때 헤르츠가 측정한 전자기파의 속력은 광속과 일치했다. 이미 맥스웰은 전기장과 자기장의 파동, 즉 전자기파가 광속으로 진행하는 것을 보고 빛은 이미 전자기파라고 선언한 바가 있다.(1865년) 맥스웰은 옳았다.

 

빛은 전자기파의 일종이다. 전자기파는 파장이나 주파수에 따라 그 종류가 나뉜다. 주파수가 커지는 순서로 차례로 알아보자. 우선 우리에게 익숙한 AM, FM 같은 라디오전파가 있다. TV나 휴대폰에 사용되는 전파도 대략 이 영역에 해당된다. 다음에 전자레인지에 쓰는 마이크로파가 나오고, 이후로 적외선, 가시광선, 자외선(UV), 엑스선, 감마선이 있다. 여기 나온 모든 것이 맥스웰이 발견한 전자기파의 한 종류다. 맥스웰 방정식이 아니었으면 눈에 보이지 않는 빛, 즉 전파가 존재한다는 사실을 알 수 없었을 것이다. 물론 휴대폰도 없을 것이다.

<김상욱의 물리공부 중에서>

이렇게 전자기파의 문명, 빛의 문명은 맥스웰의 방정식에서부터 출발했던 것이다.

그런데 아인슈타인은 이처럼 잘 들어맞는 맥스웰의 방정식에 문제가 있다는 것을 깨달았다. 전자기파를 발생시키는 장치가 정지해 있을 때만(정지 좌표계) 방정식이 맞았다. 그러나 움직이는 기차에서처럼 ‘달리는 기차의 속도 + 빛의 속도‘를 더해 버리면 방정식이 엉망이 되었다. 즉 ’1 + 1 =2‘ 라는 대원칙을 고수하면 이 방정식은 쓸모가 없어지는 것이다. 어쩐지 이 세계에 ’1 + 1 =2‘ 는 작동하지 않았다. 정지좌표계에서만 방정식은 정확하게 작동하고 있었다. 무엇이 문제일까?많은 사람들이 난관에 봉착했고 그 중에 아인슈타인도 끼어있었다.

 

과학책을 읽는 보통사람들 회원 허 심

 

#96호 

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