맥스웰의 전자기 이론을 이해한 사람이라면 위 사실을 잘 이해하고 있을 것이다. 좀 더 직접적으로 말하면 학부 2학년 전자기학을 배운 사람이라면 누구나 맥스웰 방정식으로부터 전자기파가 만족하는 파동방정식을 유도할 수 있을 것이다. 그리고 그 파동방정식의 진공해의 전파 속도가 상수라는 것도 증명할 수 있을 것이다. 실은 증명할 수 있어야 전자기학을 이해하고 있다고 말할 수 있겠다.
[2] 20세기에 들어와 맥스웰의 전자기학은 양자역학적으로 더욱 발전하게 되며 소위 양자전기역학(quantum theory of electrodynamics)로 발전한다. 이와 대별해서 맥스웰의 전자기학 이론을 고전전기역학(classical electrodynamics, electromagnetism)이라 부르는데 흔히 버클리 대학교의 D. Jackson의 교과서를 통해 이것을 배우기 때문에 '잭슨 전자기학'으로 부르기도 한다. 한국의 물리학과 대학원생들이 1학년 때 많은 시간을 들여 읽는 책이다.
양자전기역학의 고전역학적 극한 즉 플랑크상수를 0으로 보내는 리밋에서 맥스웰의 전자기학은 여전히 훌륭한 물리이론으로 전구에서 나오는 빛이나 라디오 파 혹은 무슨 무슨 원적외선을 기술하는데 모자람이 없다. 여전히 공학적으로 유효하며 많은 물리현상을 이해하는데 맥스웰의 전자기학은 필수적이다.
[3] 그런데 맥스웰의 전자기학은 이해하지 못했지만 자신이 아인슈타인의 상대성이론의 틀린점을 알 고 있다고 믿는 사람들 중에는 매우 엉뚱한 결론에 도달하는 사람들이 있다. 예를 들어 '빛이 매질을 통과할 때 속도가 줄어드는 현상'이 특수상대성이론이 틀렸다는 것을 함의한다고 믿는 것이다.
실제로 빛은 물 속이나 유리를 지나갈 때 속도가 줄어들며 이 때문에 굴절현상이 야기된다. 목욕탕 속의 다리가 짧아보이는 것, 물컵에 꽂힌 빨대가 휘어져보이는 것. 그런데 이것이 정말 맥스웰의 전자기학이나 특수상대성 이론이 틀렸다는 것을 의미할까?
[4] 답은 물론 '아니다' 이다. 빛이 매질 속을 지나갈 때 무슨일이 생기는지 살펴보면 쉽게 이해할 수 있다. 빛은 양자역학적으로 입자다. 빛 입자가 매질을 달려가면서 수없이 많은 하전입자들을 만나게 된다. 물질은 하전입자들 (전자와 핵)으로 만들어져있고 이들이 화학적으로 결합되어 있으며 빛은 이들을 만나게 되는 것이다.
그런데 빛이 하전입자와 만나 충돌하면 경로가 바뀌게 된다. 이런 장면을 상상해보라. 빛이 이리 저리 치이면서 경로가 지그재그로 바뀌는 것. 결론적으로 매질속을 지나갈 때 전자기파 혹은 빛은 미시적인 레벨에서 직진하지 못하고 실은 수없이 경로를 바꾸어가며 '천천히' 전진하게 된다. 이 성질을 뭉뚱그려서 현상론적인 상수들, '유전율'과 '투자율'을 통해 진공에서의 전자기파의 운동이 어떻게 물질에 의해 교란되어 나타낼 수 있다.
[5] 우리는 기초과학이 중요하다고 말하는 것을 너무 자주 듣는다. 그런데 정작 기초과학이 무엇을 의미하는데 무슨 소용이 있는지에 대해 너무나 막연하게 이해하거나 심지어는 반감을 가지기도 한다.
그런데 빛이 물속을 지나가는 현상을 이해하는 것만 보아도 고대로부터 알고 있던 '굴절현상'이 고전 전자기학의 '유전율'과 '투자율'로 그리고 양자전기역학의 '빛입자와 하전 입자의 충돌'로 보다 깊은 이해에 도달해가는 것을 목격한다. 이전에는 그 이유를 알지 못하고 막연히 그것을 기술하는 파라메터를 도입했었지만 보다 깊은 이해가 가능해지면서 실제 그 파라메터를 보다 근본적인 원리로 부터 이해하고 계산할 수 있게 되는 것이 말하자면 기초과학이다.
이 이해는 암흑물질로 부터 생성된 우주입자가 지구로 날아오는 도중에 겪는 디퓨전에도 그대로 적용되며 같은 원리가 롯데 백화점 자동문에도 적용되어 일상생활을 보다 편리하게 해주기도 한다.
[6] 플랑크 위성이 무사히 론치했다는 소식을 들었다. 21세기 초반 우주로부터 날아오는 소식들과 LHC 실험을 통해 무엇을 배울 수 있을 지 정말 기대가 크다. 힉스 입자, 초대칭성, 여분차원, 암흑물질, 중성미자 .. 여전히 SF 보다 실제 과학이 더 흥미진진하다는 생각을 하게된다.
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James Clerk Maxwell [click!]
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**사진 설명: 1946년 뉴욕주 이타카에 위치한 코넬대학교 카페테리아에서 리차드 파인만은 어느 녀석이 날린 접시가 흔들리며 날아가는 것을 보다가 QED에 도달하게 된다. (출처: wired megazine, Photo Essay: Unlikely Places Where Wired Pioneers Had Their Eureka! Moments)
저 카페테리아는 나도 종종 이용했었다. 6월달에 다시 가볼 예정. ^^
