자기의 역사

1. 자기의 역사

 

기원전 6세기 그리스에서, 기록에 따르면 탈레스가 최초로 호박을 헝겊 등에 문지르면 머리카락이나 먼지 등을 끌어당기는 정전기 유도 현상을 발견하였다. 또한 탈레스는 자철석이 철을 끌어당기고, 철이 붙을 때마다 같은 방향으로 정렬하며, 철을 자철석에 문지르게 되면 그 철도 비슷한 성질을 지니게 됨을 발견하였다. 기원전 4세기 중국의 귀곡자도 자철석이 철을 끌어당긴다는 사실을 기록하였다. 기원후 11세기에 이르러, 중국의 심괄은 저서 <몽계 필담>에서 최초로 자철석을 사용한 나침반에 대하여 언급하였다. 이때의 나침반은 숟가락 모양의 자철석을 실에 매단 형태였다. 12세기에 들어 나침반은 유럽에 전해졌다. 잉글랜드의 알렉산더 네컴은 1187년에 항해에 나침반을 사용하는 법에 대하여 유럽에서는 최초로 서술하였다. 자석의 성질에 대한 최초의 연구는 1269년 페트루스 페레그리누스가 실험을 통해 본격적으로 진행하였다. 그의 실험의 결론은 자석은 두 극이 있으며 한 자석이 두 쪽으로 나뉘어도 각 조각은 항상 두 극을 가지게 된다는 것이다. 그리고 그는 자석의 같은 극은 서로 밀어내며 다른 극은 서로 당기는 것을 알아내었다. 그러나 자석이 북쪽과 남쪽을 가리키는 현상을 지구의 자기장에 의한 것임을 생각하지 못했다. 페레그리누스 이후 약 300년 동안 자석에 대한 연구에는 큰 진전이 없었다.

 

1581년에 잉글랜드의 로버트 노먼은 저서 <새로운 인력>에서 나침반 바늘이 아래로 살짝 기울어지는 현상을 발견했다. 처음에 그는 나침반의 불균형을 그 이유로 생각했지만 반복적인 실험으로 단순 나침반의 불균형이 아니라 실제로 아래쪽으로 힘을 받음을 발견했다. 노먼은 생각하지 못했지만, 이 실험은 나침반 바늘을 움직이는 힘이 하늘에 의한 것이 아니라 지구에 의한 것임을 발견하는데 큰 역할을 하게 된다. 1600년에, 윌리엄 길버트는 <자석에 대하여> 라는 제목으로 자기 현상을 연구한 책을 출판하였다. 이 책에서 길버트는 나침반이 지구의 자기적 성질에 의하여 작동한다고 주장하였고, 이는 자기 현상에 대한 첫 과학적 연구로 여겨진다. 그 뒤, 자기 현상에 대한 연구는 더욱 활발해져 더욱 구체적이고 정량적인 이론들이 나타나기 시작하였다. 이 시기에는 자기 현상이 어떤 가상의 자기 유체로 인한 것이라는 가설이 유망하였으나, 19세기에 와서 자기장은 전류의 흐름에 의해서 생기게 된다는 앙드레 마리 앙페르의 발견을 토대로 마이클 패러데이는 자기 유체의 존재를 부정하였고, 이후 이 가설은 곧 잊혔다. 패러데이의 자기와 전기 현상에 대한 발견 이후, 스코틀랜드 과학자인 제임스 클러크 맥스웰은 이때까지 관측된 자기 현상과 전기 현상을 바탕으로 전자기학 이론을 도입하였다. 전자기학 이론은 물리학에서 위대한 이론 중의 하나로 평가되고 있는데, 왜냐하면 자기와 전기 현상에 대한 이론을 통합했으며 나아가 빛이 전기장과 자기장 진동의 형태로 진행한다는 성질을 설명하기 때문이다. 더욱이 전자기학 이론은 빛이 관성계에 관계없이 일정한 속도로 진행한다는 것을 설명했고, 이는 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론으로 이어진다.

 

 

2. 자기장과 상대성 이론

 

맥스웰은 자신의 네 가지 방정식을 통해 전기와 자기를 합치는데 많은 공헌을 했다. 하지만 맥스웰이 만든 체계에서도 전기와 자기는 각각 독립적인 다른 형상으로 존재한다. 하지만 실제로 전기장과 자기장은 전자기 텐서라는 한 대상의 두 가지 모습으로, 알베르트 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 사용하여 이를 입증했다. 이 이론에 따르면 한 관성계에 있는 관찰자가 자기력을 느낄 때 다른 관성계에 존재하는 관찰자는 전기력을 느낄 수도 있는 것이다. 따라서, 특수상대성이론을 적용하면 자기력은 운동하는 전하의 전기력에 불과함을 보일 수 있고, 운동과 정전기력에 대한 지식으로부터 자기력의 성질을 예측하는 것도 가능하다. 이것을 증명할 수 있는 쉬운 사고실험으로, 무한하고 평행한 두 개의 동일한 도선을 생각해보자. 두 도선에는 동일한 전하가 흐르고 있고, 이들은 서로에 대해 정지해 있으면서 동시에 관찰자 A에 대해서는 동일한 속도로 운동하고 있다. 여기서 두 도선 근처에서 도선과 동일한 속도로 운동하고 있는 또 다른 관찰자 B를 도입하자. 그리고 B가 도선 사이에 척력으로 작용하는 정전기력과 그에 따른 가속도를 측정했다고 하자. A가 측정할 때는 두 도선이 자신에 대해 일정한 속도로 운동하고 있으므로 길이 수축이 일어나게 되고, 이에 따라 두 도선 사이에 작용하는 가속도가 B가 측정한 가속도에 비해 작게 측정될 것이다. 이 감소한 가속도는 인력으로 보이게 되고, 이 인력은 고전 전자기학에서 정전기력을 감소시키고 속도가 증가함에 따라 같이 증가하는 항에 해당한다. 이 가상적 힘의 크기는 고전 전자기학에서 말하는 전자기력과 정확히 일치한다.