[Science Cookie] 인류가 지배한, 유일한 힘에 관한 역사 이야기! - 전자기학 Part 1

 

 

 

과학기술이 고도로 발달한 현대를 살아가는 우리들은

정말 숨 쉬는 것만큼이나 자연스럽게 전자제품을 사용합니다.

 

어두울 때 불을 밝히는 용도로 사용하는 전등에서부터

전자레인지, TV, 청소기, 엘리베이터, 전철 등

정말 다양한 분야, 다양한 방면으로 전자기기들이 사용되고 있죠.

 

이렇게 제 앞에서 저를 촬영하고 있는 미러리스 카메라

그리고 유튜브를 보고 계신 여러분들이 들고 있는 스마트폰 또한

이러한 전자기기 중 하나라는 것은 누구나 다 알고 있는 사실이죠?

 

그런데 여러분, 혹시 알고 계셨어요?

1인 1폰이 당연시되는 현대 사회에서는 상상하기 힘들겠지만

이러한 현대 문명이 150년 남짓한 그 짧은 시간 동안에

이룩된 것이라는 사실 말이에요.

 

인류 문명이 탄생한 시간과 비교해 보면

150년이라는 그 짧은 시간 동안에

어떻게 인류는 이런 폭발적인 성장이 가능할 수 있었던 걸까요?

대체 이런 비약적인 성장에 어떠한 비밀이 숨어있었던 걸까요?

 

오늘은 바로 현대 문명의 급격한 성장을

만들어주었던 놀라운 힘에 관한 이야기

전자기학의 역사 이야기를

과학쿠키와 함께 들여다보도록 하겠습니다!

 

 

전자기학의 역사를 알아보기에 앞서

전자기학이 무엇을 연구하는 학문인지에 대해 먼저 간략하게 알아볼까요?

 

Electro-Magentics

전자기학이란 전기학과 자기학을 통합한 학문으로서

전하로부터 발생하는 전기적 현상과 자석으로부터 발생하는 자기적 현상

다시 말해 우리가 익숙하게 알고 있는

자석의 N극과 S극, 또는 전기의 +극과 -극이

서로 잡아당기거나(인력) 미는 힘(척력)인 전자기력을 다루는 학문이죠.

 

전기를 뜻하는 Electric의 유래는 기원전 600년경의

고대 그리스 현인을 대표하는 인물인 탈레스로부터 비롯되었는데요

탈레스는 당시 Elektron이라고 불리는 호박

즉 나무의 진액이 굳어서 만들어진 광물이

주변의 조그마한 먼지들을 끌어들이는 현상을 우연히 관찰하게 되고

이 때문에 당시 호박이 만들었던 정전기,

다시 말해 전기에 관한 모든 명칭 앞에

Electric이 붙게 된 것으로 추정하고 있습니다.

 

한편, 자석을 뜻하는 Magnet의 유래는

그리스 테살리아의 남동부 지역에 있는 Magnesia 현 때문인 것으로 추정하고 있는데요

Magnesia에서 발견된 마법의 돌이라고 하여

Magnet으로 불리게 되었다는 설이

가장 유력한 설로 알려져 있습니다.

 

이 힘은 접촉하지 않은 즉, 떨어진 공간에서 작용하는 힘이었기 때문에

처음으로 이 힘을 발견한 유대인들은 매우 놀라움을 금치 못했을 거라고 생각해요.

 

왜냐하면 지금도 떨어진 공간에서 작용하는 힘은

우리를 매우 신기하게 하잖아요.

예를 들면, 염동력같은 것이죠. (Psychokinesis)

 

그럼에도 불구하고, 서양 사람들은 이 힘에 대해서

그다지 심각한 관심을 보이진 않았던 것 같아요.

그 이유를 좀 추론해보자면 아리스토텔레스 이후에 탄생한

목적론적 세계관; Teleological worldview

 

다시 말해 어떤 물체는 그 물체가 탄생하게 되었을 때

이미 그 물체가 어떤 역할을 할지가 정해져 있다는

그러한 세계관 속에서 이러한 현상들이 아주 자연스럽게 설명이 될 수 있었기 때문이었던 것 같아요.

 

목적론적 세계관으로 설명한다면

"이렇게 원거리에서 밀고 당기는 것이

원래 그런 성질을 가지고 태어났기 때문에." 라고 설명하면

별로 문제될 게 없었기 때문이죠.

 

한편, 자철광이라고 불렸던 자석의 성질을 유심히 살펴본 고대 중국의 점성술사들은

자철광을 이용하여 만든 매우 작은 바늘을 물에 띄워놓거나

자유롭게 움직일 수 있도록 세팅해두면

이 바늘이 가리키는 방향이 한쪽만 바라보게 된다는 사실을 알아내게 되는데요

이러한 성질을 이용해 풍수지리에서 말하는 좋은 집터를 찾거나

보석을 찾는 데 사용했던 도구가 바로 나침반의 모태가 되었던 도구이며

이 나침반의 발견이 중세 유럽으로 전파되면서

악천후가 한창이 바다 한가운데에서도 방향을 알 수 있는 지표를 얻게 된 서양인들은

바야흐로 대항해시대를 맞이하게 됩니다.

 

그렇게 좀 더 시간이 흐르고, 시대는 Renaissance(르네상스) 시대를 맞이하게 되면서

세상을 지배하던 종교의 찬란한 빛은 점점 걷혀지기 시작하고

그 자리를 슬슬 인간의 이성이 대체하기 시작하게 됩니다.

 

이러한 시대적 배경의 여파가 불어닥치던 17세기 초

보이지 않는 미지의 힘을 최초로

학문적으로 연구한 과학자가 등장하게 되는데요

그 과학자는 <자석에 관하여>라는 책을 통해서

이런 신비의 힘을 규명하려고 했던 과학자, 윌리엄 길버트입니다!

 

길버트는 나침반이 항상 북쪽을 가리키는 이유에 대해

북극 근처에 매우 강한 자석이 존재하기 때문이라던지

또는 북극성이 자석으로 만들어졌다는 이유 때문이 아닌

무언가 근본적으로 다른 이유가 있을 것이라는 생각을 하게 됩니다.

 

이러한 생각을 검증하기 위해 시행했던 다양한 실험들을 통해

자석의 여러 성질을 실험적으로 밝혀내게 되면서

자신의 실험자료를 바탕으로 "지구 자체가 커다란 자석"이라는 가설을 주장하게 되죠.

 

또한 길버트는 호박에서 발생되는 정전기에 관한 연구도 진행하였는데요

이는 곧, 호박의 전기를 다루는 전기학과

자석의 자기를 다루는 자기학이라는

서로 다른 두 학문의 탄생으로 이어지게 됩니다.

 

역사적으로 이 시점에서

전기라는 뜻의 'Electricus'라는 말이 길버트에 의해 최초로 사용되게 되죠.

 

여담이지만 길버트의 저서 <자석에 관하여>는

길버트가 당시에 수행했던 실험 결과를

아주 자세하고 상세하게 기록해 놓아서

그 실험을 누구나 재현할 수 있는 형태로 만들었기 때문에

후대 과학자인 갈릴레이와 케플러 등에게

아주 지대한 영향을 미쳤다고 합니다.

 

특히 갈릴레이는

자연 현상을 실험적으로 규명하려는 길버트의 이러한 노력을 칭송하는 의미에서

자신의 책에 "길버트는 세계 최초의 과학자다."라고 언급할 정도였으니

이 길버트가 얼마만큼 영향력을 가진 과학자였는지 실감이 좀 되시죠?

 

이후 17세기를 대표하는 철학자, 데카르트에 의해

수학 시간에 흔히 접하던 x, y좌표, 직각 좌표게가 도입되게 되면서

자연에서 이루어지는 모든 움직임을 수학적으로 분석할 수 있을 것이라는

실마리가 만들어지게 되며

이를 토대로 천상에서 운동하는 천체들의 운동 법칙이

지상과 동일하게 적용된다는 만유인력의 법칙을 발견한 아이작 뉴턴 경 덕분에

세상에 있는 모든 물체들의 운동을 수학이라는 언어를 이용해

설명할 수 있을 것이라는 기대감이 널리 확산되게 되죠.

 

시대는 계속 흘러 1729년, 스테판 그레이는 전기에 대해서

전기는 양을 측정할 수 없는 두 종류의 흐름이며

이러한 전기의 흐름이 잘 통하는 물질과 잘 통하지 않는 물질

즉 오늘날 도체, 부도체라고 불리는 물질들을

구분하는 방법을 처음으로 제시하게 됩니다.

 

이에 대해 1733년 프랑스의 물리학자인 뒤페는

검전기 실험을 통해

유리 막대에 명주 헝겊을 문질렀을 때 발생했던 정전기가

각각 유리막대에는 유리전기라는

헝겊에는 수지전기라는 이름의 전기로 나눠지게 되면서

다른 종류의 전기끼리는 잡아당기고

같은 종류의 전기끼리는 밀어낸다는 사실을

실험적으로 밝혀내게 됩니다.

 

이어 1747년, 미국의 전기학자였던 벤자민 프랭클린에 의해

공식적으로 두 종류의 전기,

그러니까 유리전기와 수지전기의 명칭이

각각 +극(유리전기)과 -극(수지전기)으로 이름 붙여지게 됩니다.

 

뿐만 아니라 프랭클린은 모든 물질은 이미 전기를 가지고 있으며

그 물질이 무슨 이유에서든

+전기를 빼앗기게 되면 -극이 되고,

-전기를 빼앗기게 되면 +극이 된다는 주장을 펼치게 되죠.

 

이러한 발견 이후, 정전기는

서로 다른 2가지의 극이 존재하는 자석처럼

다시 말해, N극과 S극처럼

+전화와 -전하로 분리되게 됩니다.

 

이 두 가지의 힘, 전기력과 자기력은

앞선 뉴턴의 대발견인 만유인력이 보여주었던 것과 동일하게

서로가 서로를 잡아당긴다는 공통점을 가지고 있었지만

같은 극이 만나면 서로를 밀어낸다는 특별한 차이점을 가지고 있었죠.

 

이후 1772년,

헨리 캐번디시(Henry Cavendish)에 의해 정전기력에 대한 연구가 탄력을 받게 되고,

마침내 정전기력과 만유인력의 공통점을 유심히 지켜본 한 명의 과학자에 의해서

드디어 수학이라는 도구를 이용해

만유인력 뿐만 아니라 정전기력까지 설명할 수 있게 되는 놀라운 발견을 하게 되는데요

이러한 발견을 만들어낸 과학자가

바로 실험적으로 쿨롱의 힘을 규정했던

샤를 드 쿨롱이라는 과학자입니다.

 

쿨롱은 금속으로 된 공과

비틀림 저울이라는 실험 장치를 통해

정전기가 만들어내는 힘 또한

만유인력과 마찬가지로

떨어진 거리의 제곱에 반비례하고

전하량의 크기에 비례한다는 사실을 발견해내게 되고

이때 수식적으로 밝혀낸 공식이 바로 쿨롱의 전기력 공식이며

이 공식은 만유인력의 공식과 매우 유사하다는 특징을 가지고 있죠.

 

이 발견으로 인류는

만유인력의 발견이 있은 지 겨우 100년 만에

전기력 또한 수학적으로 예측할 수 있게 됨과 동시에

만유인력과 매우 유사한 형태를 가지는 이러한 아름다운 수식적 모습을 토대로

우주에 있는 모든 힘들이 인류가 밝혀 온 이전의 힘들과 상당히 유사할 것이라는 기대,

"Symmetric(대칭성)"

모든 것은 대칭적으로 존재하는 것이 아닐까 하는

기대를 가지게 됩니다.

 

한편, 전기력이 수학적으로 정립되고 있었던 1780년 초

실험대에 놓여 있던 개구리 뒷다리에 메스를 대었더니

놀랍게도 이미 잘려나간 뒷다리가 꿈틀거리는 것을

확인하게 된 생물학자 루이지 갈바니에 의해

생명체의 근육 조직이 흥분하게 되면

전기를 발생시킨다는 이론인 갈바니즘 이론,

다시 말해 생체 전기 이론이 등장하게 됩니다.

 

그러나 이 실험 결과를 상당히 독특하게 여긴

그의 친구이자 이탈리아의 물리학자였던 볼타는

자신이 독자적으로 행했던 실험에서

갈바니의 생체 전기 이론이 틀렸음을 깨닫게 되는데요

 

사실 전기는 개구리 뒷다리에서 발생한 것이 아니라

뒷다리를 받치고 있던 수술대의 금속과

메스를 구성하는 금속의 특성 때문에 발생한다는 것을 주장하게 되면서

결국 이러한 논란의 과열 덕분에

화학에서 말하는 '이온화 경향성'이 서로 다른 두 종류의

금속을 산성 용액에 넣었을 때

전기를 발생시킬 수 있는 전지인 볼타 전지를 발견해내게 됩니다.

 

갈바니와 볼타가 벌였던 갈바니즘에 관한 논쟁은

무려 20년 동안이나 지속되었던 논쟁이에요.

그럼에도 불구하고, 이 둘은 서로가 서로를 존중하면서

자신의 근거를 펼칠 때는 매우 신사적으로 펼쳤다고 해요.

이 논쟁은 과학사에서 모범적인 논거 사례로서

아주 길이길이 기억되고 있죠.

 

그리고 또 재밌는 것은

이러한 논쟁 사이에서 탄생한 볼타 전지 역시

앞서 봤던 전자레인지가 탄생했던 것과 같이

의도치 않게, 우연히 탄생한 하나의 과학적 사례로 뽑을 수 있겠죠?

 

이 볼타 전지의 발견 덕분에 과학자들은

기존에 연구하던 대상인 정지해 있는 전하

정전기에 대한 연구 뿐만 아니라

도체를 타고 흐르는 전류에 관한 연구를

본격적으로 시작하게 되는 계기를 맞이하게 됩니다.

 

그리고 이러한 계기가 지금까지

다른 소스에서 발생한 줄로만 알았던

전혀 다른 힘인 줄로만 알았던

전기와 자기를 하나로 묶을 수 있을 만한

아주 결정적인 실마리를 제공받게 됩니다.

 

이 실마리는 과연 무엇일까요?

전혀 다를 줄만 알았던

두 개의 독립적인 힘을

하나로 묶었던 이 사건은 과연 무엇일까요?

그리고 이러한 사건의 종착역에서 맞이한

놀라운 역사 이야기는 과연 무엇일까요?

 

<전자기학 Part 2>에서는 바로 이 순간!

전기학과 자기학을 하나로 묶을 수 있을 만한

실마리를 제공했던 과학자인

외르스테드에 대한 이야기를 시작으로

여러분을 찾아뵙도록 하겠습니다!

 

감사합니다!

과학쿠키였습니다!