시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (10) 세상을 바꾸는 힘

시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (10)

 세상을 바꾸는 힘

마이클 패러데이

전기로 세상을 바꾼 과학자

인간은 지구 밖에서도 즉각적인 전자 통신을 할 수 있는 시대에 살고 있습니다. 이게 어떻게 가능할까요? 이 신기한 능력은 정규교육도 받지 못한 장래성 없는 한 사람의 머릿속에서 시작됐습니다. 만약 그가 없었다면 스마트폰과 태블릿, PC 등 놀라운 통신 기기로 가득한 지금의 세상은 존재하지 않았을지도 모릅니다. 불굴의 노력으로 불리한 조건을 딛고 칭송 받는 과학자가 된 한 남자의 삶과 업적을 알아봅니다.

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전자기학의 아버지, 마이클 패러데이

- 정규 교육을 받지 못한 빈민 출신의 위대한 과학자

뉴턴과 아인슈타인 사이에 두 사람 못지않은 천재가 있었습니다. 뉴턴을 괴롭힌 수수께끼를 풀었고 아인슈타인의 혁명적인 통찰을 가능하게 한 과학자입니다. 바로 전자기학의 아버지 마이클 패러데이(Michael Faraday)입니다. 1791년, 런던 근교의 빈민굴에서 마이클 패러데이는 태어났습니다. 그는 똑똑한 학생은 아니었습니다. 어린 시절, 자신의 이름도 제대로 읽을 줄 몰랐던 그는 학교에 나가지 않았다고 합니다. 그대신 패러데이는 13살 때부터 제본소에서 일했습니다. 낮에는 책을 제본하고 밤에는 책을 읽으며 과학에 흥미를 가지게 되었습니다. 그때부터 전기에 대한 평생의 열정이 시작됐습니다.

최초의 모터 발명

- 응용 전기기술의 황금시대가 시작되다

21살이 된 패러데이는 당대의 일류 과학자인 험프리 데이비(Humphry Davy)의 조수로 일하게 됩니다. 임시직으로 일하던 패러데이는 데이비에게 꼭 필요한 존재가 되며, 임시직은 정식 일자리가 됐고 왕립 연구소는 평생의 집이 됐습니다.

패러데이가 조수로 일하고 있던 어느 날, 험프리 데이비와 또 다른 화학자인 윌리엄 월러스턴은 H.C.외르스테드가 발견한 전류의 자기작용(磁氣作用)에 대해 실험했습니다. 실험 중 험프리 데이비와 윌리엄 월러스턴은 전자기회전을 만드는 방법을 구상하지만 그에 대한 해법은 없었습니다. 이를 지켜본 패러데이는 열정에 불타올랐습니다. 패러데이는 즉시 실험 설계에 착수했고 틈이 날 때마다 그 문제에 매달렸습니다. 결국 패러데이는 실험을 통해 전자기회전을 만드는데 성공하였습니다. 전류를 지속적인 기계적 운동으로 전환하는 장치인 이것은 최초의 모터였습니다. 거창하지는 않았지만 이것은 혁명의 시작이었습니다. 이를 바탕으로 산업과 생활 방식 전 분야에서 엄청난 변화가 이어졌습니다. 그 모든 것이 패러데이의 실험실에서 시작됐습니다.

전자기력의 발견

- 전자기력이 빛을 조종할 수 있음을 증명

전기와 자기 실험에 깊이 몰두했던 패러데이는 자석 주위의 공간을 메우고 있는 보이지 않는 역선을 상상하게 됐습니다. 자석은 눈에 보이는 철 막대가 전부가 아니라 막대 주위를 둘러싼 보이지 않는 뭔가도 포함된 것이라고 생각했습니다. 패러데이는 그것을 '자기장'이라고 불렀습니다. 그는 자연의 통합성을 믿었습니다. 전기와 자기의 관련성을 입증한 패러데이는 그 두 가지 힘이 혹시 빛과도 관련이 있는지 궁금했습니다. 보이지 않는 세 가지 현상의 관련성을 입증할 수만 있다면 깊이 감춰져 있던 자연의 비밀이 밝혀지는 거였습니다.

그래서 패러데이는 실험을 고안합니다. 빛은 파동의 형태로 이동합니다. 광파는 모든 방향으로 퍼져 나가지만 파동 하나를 분리하는 방법이 있습니다. 이를 '편광'이라고 합니다. 빛이 거울 같은 반사면에 튕겨 나가면 편광이 일어납니다. 패러데이는 자기장으로 그 하나의 광선을 조종할 수 있는지 확인하고 싶었습니다. (접안렌즈에는 빛에 대한 울타리 역할을 하는 수정이 들어 있습니다. 빛이 렌즈를 통과하려면 자석에 의해 움직여야 합니다. 거울 앞에는 등불이 놓여 있고 거울에 반사된 빛이 울타리를 통과해야만 렌즈를 통해 등불이 보입니다.)

자력이 공기 중에서 이동하는 빛에 영향을 미치지 않는다면 다른 물질을 통과할 땐 어떨까요? 자석이 빛을 움직이게 하는 데 어떤 물질이 도움이 될까요? 수백 가지 투명한 화학 물질과 물체를 사용해 봤지만 렌즈를 통해 아무것도 볼 수 없었습니다. 빛은 휘어지지 않았습니다. 패러데이는 방해석 결정을 비롯해 탄산나트륨, 황산칼슘 결정도 써 봤지만 소용없었습니다. 여러 가지 다른 물질을 써봐도 성과는 없었습니다. 그 물질들에서 일으킨 자기장은 등불이 보이도록 빛을 휘게 하지 못했습니다. 그는 지푸라기라도 잡는 심정으로 유리블록을 시험해 봅니다. 효과가 있었습니다. 자석의 힘이 빛을 휘어 수정을 통과시켰습니다.

이게 왜 대단한 것일까요? 패러데이는 그동안 아무도 감지하지 못했던 우리를 둘러싼 물리적 현실을 보여 준 것입니다. 망원경을 통해 최초로 우주를 본 것만큼 대단한 도약이었습니다. 전자기력이 빛을 조종할 수 있음을 증명함으로써 패러데이는 더 깊은 자연의 통합성을 발견했습니다. 아인슈타인을 비롯한 후대의 모든 물리학자들이 우주에 숨은 원시적인 힘들의 상호작용을 엿볼 수 있는 길을 열어 준 겁니다.

지구 자기장의 발견

- 지구 자체가 하나의 거대한 자석임을 알아내

패러데이는 전기와 자기, 빛이라는 자연력의 삼위일체가 어떻게 함께 작용하는지 알고 싶었습니다. 사람들은 자석과 철가루가 만드는 멋진 무늬를 철이 만들어내는 것이라고 추측했습니다. 패러데이는 전류가 전선을 자석으로 만드는 걸 알았고 전기가 흐르는 전선 주위의 철가루도 그와 비슷한 무늬를 형성할 거라고 예상했습니다.

사람들이 멋진 형상으로만 여겼던 것에서 패러데이는 중대한 깨달음을 얻습니다. 무늬는 단지 철가루의 묘기가 아니었습니다. 무늬는 철가루가 없을 때도 자석이나 전류 주위에 존재합니다. 그건 자성을 지닌 모든 것의 주위 공간으로 뻗어 나가는 보이지 않는 힘의 장을 따라 나타난 흔적입니다. 사람들이 수천 년 동안 놀랍게 여겼던 나침반의 자침은 멀리 떨어진 자북극에 반응하는 게 아니었습니다. 그곳까지 끊임없이 뻗어나가는 힘의 장을 감지하는 것이었습니다. 지구 자체가 하나의 거대한 자석입니다. 모든 자석처럼 지구의 역선도 주위 공간으로 멀리 펼쳐집니다. 그 역선은 어디에나 있습니다. 하지만 패러데이 전까진 아무도 그걸 몰랐습니다.

지구 자기장이 생기는 이유와 오로라 현상

- 지구 자기장이 태양풍을 극지방으로 흘려 보내

왜 지구에 자기장 생기는 걸까요? 이유가 뭘까요? 답은 지구 깊숙한 곳에 있습니다. 지구가 자전하면서 고체로 된 내핵 주위를 도는 액상의 철이 전류가 흐르는 전선 역할을 합니다. 패러데이가 보여 줬듯이 전류는 자기장을 생성합니다. 자기장은 지구의 생물권에 큰 피해를 입힐 우주 방사선의 맹공격을 막아 줍니다. 우주 방사선은 DNA를 관통할 수 있습니다. 자기장이 없다면 생물의 돌연변이율이 훨씬 높을 겁니다. 다행히 그 우주 포탄의 파편들은 '밴 앨런 대(Van Allen belt)'에 갇혀 있습니다. 지구의 자기 방패가 하전 입자(荷電粒子, charged particle)들을 가두고 있는 도넛 모양의 영역들입니다.

지구가 거대한 막대자석과 같다는 사실은 하늘의 눈부신 장관인 오로라 현상을 설명해 줍니다. 태양에서 방출된 하전 입자들 즉, 태양풍은 끊임없이 지구로 쏟아집니다. 태양풍을 일종의 전류로 볼 수 있습니다. 지구 자기장은 그 전류를 북극과 남극으로 흘려 보냅니다. 전류가 대기에 도달하면 공기 중의 산소와 질소 분자가 거대한 형광 전구들처럼 빛나게 됩니다.

* 본 포스팅은 내셔널지오그래픽 채널의 제공으로 네이버캐스트(오늘의 과학 - 다큐사이언스)와 함께 연재되며, 사이언스북스 블로그에는 일부 내용이 추가되어 있습니다. 

'시간과 공간을 초월한 빅 히스토리, 코스모스 ' 시리즈 보기

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글·영상/사진 제공 : 내셔널지오그래픽채널 http://www.ngckorea.com  

[관련 방송] 내셔널지오그래픽채널 “시간과 공간을 초월한 빅 히스토리, 코스모스 10부. 세상을 바꾸는 힘”

2014년 5월 17일 토요일 밤 11시 방송(매주 토요일 밤 11시 방송)

1980년, 전 세계 7억 5천만 명의 시청자를 열광시킨 칼 세이건의 [코스모스]. 2014년, 내셔널지오그래픽채널에서 더욱 화려하게 부활한다. 총 제작비 450억, 총 에피소드 13편, 전 세계 180개국 동시 방송! 과거에도 있었고, 현재에도 있으며, 미래에도 있을 그 모든 것!