뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)은 사과를 땅바닥에 떨어뜨리는데 작용하는 힘과 태양계를 비롯한 천체에 작용하는 힘이 똑같은 힘이라는 것을 증명했다.
즉, 이전에 이 두 힘은 서로 다른 것이라고 생각했지만 뉴턴에 의해서 두 힘은 하나로 통일되었다.
이 때문에, 그가 만든 중력의 법칙은 모든 것을 당기는 힘이란 뜻의 ‘만유인력(萬有引力)의 법칙’이라고 부른다.
이와 비슷하게, 전기(電氣, electricity)와 자기(磁氣, magnetism)는 그 힘을 인식한 이후로 서로 전혀 관련이 없는 다른 힘으로 생각했다.
즉 전기는 유리막대와 전류에 관한 것이었고, 자기는 막대자석과 나침반에 관한 것일 뿐이었다.
전기: http://100.naver.com/100.nhn?docid=134305
자기: http://100.naver.com/100.nhn?docid=131189
하지만, 이런 생각이 틀렸다는 사실은 1820년 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777~1851)가 처음으로 전류(또는 전기)가 흐르는 도선 주위에 놓인 나침반의 바늘이 움직이는 것을 발견(외르스테드의 법칙)함으로서 처음 알게 되었다.
즉, 이 실험을 통해서 전기(전자의 흐름)와 자기가 서로 연관되어 있음을 처음 알게 되었다.
그 후에, 앙페르(André Marie Ampére, 1775~1836)는 모든 자기현상들이 전자(electron)가 움직일 때 발생되는 것이라고 주장하여 외르스테드의 생각을 더 확장했다.
이와 반대로, 1831년 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)는 코일 속에서 자석을 움직이면 전류가 발생된다는 것을 처음 발견했다.
이로서 자기 현상과 전기현상은 서로 깊게 상호 관련되어 있다는 것을 알게 되었다.
그 후, 1873년 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)은 가우스(Karl Friedrich Gauss, 1777~1855), 앙페르와 패러데이가 이전에 발견한 전기와 자기 법칙들을 통합하여 맥스웰 방정식(또는 전자기 방정식)을 완성했다.
이로서 전기와 자기는 분리된 것이 아니라 하나인 전자기(electromagnetism) 현상이고, 이로소 전기와 자기의 모습이 상황에 따라서 전기 또는 자기로 나타난다는 것을 완전히 이해했다.
맥스웰 방정식의 핵심은 자기장이 시간에 따라서 변화되면 이 때문에 전기장이 발생하고, 또한 이와 반대로 전기장이 시간에 따라서 변화하면 자기장이 발생한다는 것이다.
이 맥스웰 방정식을 풀면 파동 방정식이 된다.
맥스웰은 이 파동 방정식을 풀어서 해(solution)를 구했고, 이 해에 하나의 상수가 존재했으며 이 상수가 빛의 속도와 거의 같다는 것을 알게 되었다.
이 때문에 맥스웰과 그 당시 사람들이 크게 놀랬다. 이로서 빛이 전자기파임을 처음으로 알게 되었다.
그 후, 1888년 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894)가 전자기파를 발생시킨 다음 멀리 떨어진 곳에서 이를 검출하는 실험을 해서 최초로 성공했다. 따라서, 빛이 전자기파(電磁氣波, electromagnetic wave)임이 이 실험을 통해서 증명되었다.
따라서, 인간의 눈으로 볼 수 있는 빛(가시광선)은 라디오파, 마이크로파, 적외선, 자외선, X선, 감마선, 등에 이르는 전자기파 스펙트럼(영역) 중에서 아주 작은 부분임을 알게 되었다.
전자기파: http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/electromagnetic/emwave/emwave/emwave.html
맥스웰 방정식의 중요성은 그 이전에 물리학의 큰 세 가지 영역이었던 전기, 자기와 광학(optics)을 하나의 전자기 이론으로 통일했다는 사실에 있다.
따라서, 전기와 자기를 종합했던 맥스웰 방정식은 물리학자들에게 가장 좋은 모델 역할을 했다.
즉, 이 맥스웰 방정식은 이후 과학 발전에 매우 큰 영향을 끼쳤다. 맥스웰의 성공은 자연계에 존재하는 기본적인 네 가지 힘인 중력, 전자기력, 강력과 약력을 하나의 통일된 법칙으로 통합하려는 노력의 시발점이 되었다.
특히, 아인슈타인은 중력과 전자기력을 통합하기 위한 통일장 이론(unified theory of field)을 시도하였지만 결국은 실패했다.
하지만, 그가 이런 노력을 했던 것은 맥스웰이 전기와 자기를 통합하여 전자기 이론을 완성했던 것에 자극받았기 때문이었다.
역사적으로 볼 때, 아인슈타인이 특수상대론을 생각하게 된 중요한 동기는 전자기 이론 때문이었다.
통일장이론: http://100.naver.com/100.nhn?docid=155938
그 후, 와인버거(Weinberg), 살람(Abdus Salam)과 슬래쇼(Sheldon Glashow)가 전자기력과 약력을 통합한 이론인 전기약력 이론을 발표했다.
이 전기약력 이론은 현재 입자물리학에서 물질의 기본구조를 설명하는 표준모형(Standard Model)로 인정받고 있다. 이에 대한 업적을 인정받아 이들은 1979년 노벨 물리학상을 수상했다.
표준모형: http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=700&docId=8133
그후 1970년대 계속된 노력의 결과로 전자기력과 약력에 강력을 더 포함시킨 대통일이론(Grand Unified Theory, GUT)으로 발전됐다.
그리고 마침내 1980년대에는 네 가지 힘 모두를 포함시킨 초끈이론(superstring theory)이론으로 발전하였다.
그러나 대통일 이론과 초끈이론은 실험으로 검증되지 않았으며 검증하는 것도 거의 불가능하다.
초끈이론: http://100.naver.com/100.nhn?docid=779963
결론적으로, 자연에 존재하는 4가지 기본 힘들을 통일하려는 움직임은 맥스웰의 전자기 이론에 영감을 받아 시작된 것이었다.
즉 물리학자들에게 전자기 이론은 가장 완전하고 훌륭한 이론의 본보기였기 때문에, 이 이론은 이후 물리학자들이 모방하고자 하는 가장 이상적인 모델이 되었던 것이다.
(예전에 제가 쓴 글입니다.)