빛의 성질과 맥스웰의 전자기 이론

중력 연구에서 뉴턴만큼 지대한 공헌을 한 사람이 맥스웰이다. 그는 전기와 자기 사이의 연관성을 보이는 실험에서 인사이트를 얻어서 몇 개의 근사 방정식으로 전파와 자기를 모두 기술하는 단 하나의 이론을 발전시켰다. 우리가 빛의 성질과 행동을 모두 이해할 수 있도록 도와준 이론이 바로 맥스웰의 전자기 이론이다. 이 이론에 대해 살펴보기 전에 원자가 몇 종류의 입자들로 이루어져 있고, 이들 중 일부는 질량과 전하의 성질을 가졌다는 사실을 염두에 두어야 한다. 모든 원자의 핵에는 양으로 하전된 양성자가 있고, 핵의 외부에는 음전하를 가진 전자가 있다.

 

맥스웰 동상

 

맥스웰의 이론에서는 이들 전하가 움직일 때 나타나는 효과가 다루어진다. 하나의 전하 주위에 있는 다른 전하는 인력이나 척력을 받는다. 서로 다른 전하는 끌어당기고, 같은 전하는 밀어낸다. 전하가 이동하지 않을 때는 전기적 인력이나 척력만 보게 되지만 전하가 움직이면 자기라고 불리는 다른 힘을 측정할 수 있다. 모든 원자 안이나 전류가 흐르는 도선에서 자기가 흐르는 것과 같다. 

 

자기는 우리 생활 속에 존재해 왔고 기록에서도 알려져 왔지만 그 원인에 대해서는 19세기에 이르러서야 드러났다. 전하 실험을 통해 자기는 하전 입자의 운동 때문에 생긴다는 것이 확실하게 밝혀졌다. 이는 공업용 전자석을 만드는 굵은 전선이 감긴 코일 내에서처럼 전하의 운동이 나타나기도 한다. 자석 내에서 원자 안의 전자들 대부분은 같은 방향으로 회전한다. 이들 전자가 한 방향으로 일정하게 운동을 할 때 물질은 자성을 띠게 된다. 

 

이와 같이 한 물체가 떨어져 있는 다른 물체에 미치는 힘의 작용을 기술하기 위해서 물리학에서는 장(field)라고 부른다. 예를 들어, 태양과 지구가 직접적으로 접촉하지 않은데도 태양이 지구 궤도를 통제하는 중력장을 이루고 있다고 한다. 이 용어를 정지해 있는 전하는 전기장을 이루고, 움직이는 전하는 자기장을 이룬다. 그런데 전기와 자기 현상 간의 상호 관계는 더욱더 밀접하다. 실험에서 자기장을 변화시키면 전류가 발생한다. 그러면 전기장이 변화하고, 이것은 다시 자기장을 변화시킨다. 이처럼 전기장과 자기장의 변화는 계속적으로 서로를 변화시킨다. 

 

맥스웰은 만약 전하가 계속해서 진동한다면 무슨 일이 일어날까 조사한 것이다. 이를 통해 전기장과 자기장의 한 형태가 밖으로 빨리 퍼져 나간다는 것을 발견했다. 이와 비슷한 현상은 손가락으로 수영장에서 물을 위아래로 움직일 때 나타난다. 물에서 발생한 교락은 밖으로 퍼져 나가면서 파도라고 부르는 한 형태를 만들어 낸다. 사실 많은 사람들이 전하가 진동하는 경우가 어디에도 없어야 한다고 생각하겠지만 실제로는 그 반대다. 모든 원자와 분자가 따뜻해지면 앞뒤로 진동하기 때문이다. 이때 생기는 전자기 교락은 우주에서 일어나는 가장 일반적인 현상 중 하나이다. 

 

맥스웰은 우주 공간에서 움직을 계속하는 전자기 교란의 이동 속도를 계산해 냈다. 그는 측정 실험을 통해 그 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 발견했다. 이를 통해 맥스웰은 빛을 전기와 자기의 한 형태라고 예측했다. 이것을 전자기 복사라고 부르는데, 이는 우에 실험실에서 다시 증명되었다. 빛은 사람의 눈에 들어오면, 그것의 전기장과 자기장의 변화가 신경의 끝을 자극해서 이들의 장에 담긴 정보를 뇌에 전달하는 것이다. 

 

복사는 자주 쓰이는 용어이다. 일상생활에서 복사는 우리 주변에서 방사능 물질로부터 방출된 큰 에너지를 가진 일종의 아원자 입자를 설명하는 데 사용된다. 일례로 이는 암 치료에 쓰이는 일종의 복사이다. 그렇지만 천문학에서 사용하는 복사는 이와 같은 의미가 아니다. 복사는 빛, X선, 그리고 다른 형태의 전자기파에 대한 일반적인 용어이다.