전자기학 5강. 전자기파: 빛의 정체

종이 위의 방정식을 풀었더니 빛의 속도가 튀어나왔습니다. 수천 년 미스터리였던 빛은 처음부터 전자기학의 것이었죠.

풀고 시작

방정식에서 튀어나온 광속

4강의 마지막 질문을 이어받아 볼까요. 변하는 전기장이 자기장을 만들고 변하는 자기장이 전기장을 만든다면, 둘은 서로를 재생산하며 전하도 도선도 없는 빈 공간을 스스로 달려갈 수 있습니다. 맥스웰은 1860년대에 자신의 방정식에서 실제로 이런 파동 해를 끌어냈고, 그 진행 속도를 전기 상수와 자기 상수만으로 계산했죠. 결과는 초속 약 30만 km. 당시 피조와 푸코의 실험으로 측정되어 있던 빛의 속도와 일치했습니다. 맥스웰은 결론을 피하지 않았죠. 빛은 전자기 파동입니다. 책상 위 실험실 상수 두 개를 조합했더니 빛의 속도가 나왔다는 것, 이것이 이론물리학 역사에서 손꼽히는 극적 순간입니다. 광학이라는 유서 깊은 학문 전체가 전자기학의 한 장으로 흡수되는 순간이기도 했죠.

헤르츠의 검증과 "아무 쓸모 없다"

맥스웰은 1879년에 죽어 자기 예측의 검증을 보지 못했습니다. 검증은 1887년 독일의 헤르츠(Heinrich Hertz)가 해냈죠. 그는 유도 코일로 스파크를 튀겨 진동 전류를 만들고, 떨어진 곳에 놓인 작은 틈이 있는 금속 고리에서 미세한 불꽃이 따라 튀는 것을 확인했습니다. 보이지 않는 파동이 공간을 건너간 겁니다. 그는 이 파동의 파장을 재고 반사, 굴절, 편광까지 확인해 빛과 똑같이 행동함을 보였습니다. 맥스웰이 옳았던 거죠. 이 발견의 쓸모를 묻자 헤르츠가 "아무 쓸모 없다, 맥스웰 선생이 옳았음을 증명했을 뿐"이라 답했다는 일화가 널리 전해집니다. 정확한 발언인지는 확실치 않으나, 순수한 검증 실험이 곧 문명을 바꾼 역설을 이보다 잘 요약하는 말도 없죠. 헤르츠는 36세에 요절했고, 진동수의 단위(Hz)에 이름을 남겼습니다.

스펙트럼: 빛은 좁은 창이다

전자기파는 파장에 따라 연속적인 스펙트럼을 이룹니다. 경계는 관습적 구분일 뿐 본질은 하나죠.

사람의 눈이 보는 가시광선은 이 광대한 스펙트럼에서 아주 좁은 창에 불과합니다. 파장이 짧을수록 에너지가 커서 자외선부터는 분자를 부술 수 있고, 그래서 X선과 감마선이 위험하죠.

무선 문명

헤르츠가 "쓸모없다"던 파동은 10년도 지나지 않아 통신이 되었습니다. 마르코니(Guglielmo Marconi)는 무선 전신을 실용화해 1901년 대서양 횡단 신호 전송에 성공했다고 발표했죠. 이후의 목록이 곧 현대 문명입니다. 라디오와 TV 방송, 레이더, 위성 통신, 휴대전화, 와이파이, GPS. 지금 이 순간에도 우리 몸을 무수한 변조된 전자기파가 통과하고 있습니다. 맥스웰의 방정식과 헤르츠의 불꽃 없이는 존재할 수 없는 세계죠.

광속의 수수께끼: 상대성이론으로 가는 다리

그런데 맥스웰의 성취 한가운데 폭탄이 숨어 있었습니다. 방정식이 내놓는 광속 c는 누가 측정하든 같은 값으로 나옵니다. 파원이 달려가며 빛을 쏘아도, 관측자가 빛을 향해 달려가도 방정식은 c를 말하죠. 이는 속도는 더해진다는 일상 직관(갈릴레이의 상대성)과 정면충돌합니다. 당시의 탈출구는 에테르였습니다. 전자기파를 실어 나르는 매질이 있고 c는 그 매질에 대한 속도라는 가설이죠. 그러나 1887년 마이컬슨과 몰리의 정밀 실험은 에테르에 대한 지구의 움직임을 검출하는 데 실패했습니다. 방정식은 옳고, 에테르는 잡히지 않고, 직관은 무너집니다. 이 모순을 정면으로 받아들여 시간과 공간 자체를 뜯어고친 것이 1905년 아인슈타인의 특수 상대성이론이며, 다음 과목의 주제입니다.

인출 문제

생각해볼 질문 (정답 없음)

• "아무 쓸모 없다"던 헤르츠의 실험이 무선 문명의 씨앗이 되었습니다. 쓸모를 미리 묻지 않는 연구를 사회는 어디까지, 어떤 근거로 지원해야 할까요.

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