맥스웰은 무엇을 발견했을까? '빛은 전자기파'임을 밝힌 물리학자

제임스 클러크 맥스웰(1831–1879)은 전기와 자기, 그리고 빛이 사실은 하나의 현상이라는 것을 밝혀냈다. 그의 방정식에 따르면 변하는 전기장과 자기장은 파동이 되어 공간을 퍼져 나가는데, 그 파동의 속도를 계산해 보니 빛의 속도와 거의 같았다. 그래서 그는 빛 자체가 전자기파라고 제안했고, 이 생각은 이후 충분히 확인되어 라디오·텔레비전·와이파이·휴대전화의 바탕이 되었다. 그 밖에도 토성 고리의 정체를 밝혔고, 오래 보존되는 컬러 사진을 처음 선보였으며, 기체의 통계물리학을 세우는 데도 큰 역할을 했다.

'바보'라고 불린 소년

맥스웰은 1831년 6월 13일 스코틀랜드 에든버러의 인디아 스트리트 14번지에서 태어났다. 이 집은 지금 박물관이다. 열 살에 에든버러 아카데미에 들어갔을 때, 집에서 만든 신발과 이상한 옷차림, 시골 사투리 때문에 친구들은 그를 '대프티(바보)'라고 불렀다.

하지만 그는 전혀 바보가 아니었다. 열네 살에 실을 이용해 타원 같은 곡선을 그리는 방법에 관한 첫 과학 논문을 썼는데, 너무 어리다는 이유로 교수가 대신 에든버러 왕립학회에서 발표했다.

케임브리지를 거쳐 젊은 교수로

에든버러 대학에서 젤라틴 덩어리로 실험하다 광탄성 현상을 발견했고, 1850년 케임브리지 대학에 들어갔다. 1854년 수학 시험 2등에 해당하는 '세컨드 랭글러'로 졸업했고, 1856년 애버딘의 매리셜 칼리지 자연철학 교수가 되었다. 1858년에는 그곳에서 캐서린 메리 듀어와 결혼했다.

토성의 고리는 무엇으로 되어 있을까

애버딘 시절 맥스웰은 '토성의 고리는 무엇으로 이루어져 있는가'라는 유명한 현상 문제에 도전했다. 망원경으로 보면 매끈한 판처럼 보이지만, 그는 수학만으로 고리가 수많은 작은 알갱이로 이루어져 있어야 한다는 것을 보였고, 1859년 애덤스상을 받았다. 더 좋은 망원경이 아니라 종이와 펜으로 먼 행성의 수수께끼를 푼 것이다.

최초의 컬러 사진

빨강·초록·파랑 빛을 섞으면 많은 색을 만들 수 있다는 것이 컬러 사진의 원리다. 1861년 맥스웰은 런던 왕립연구소 강연에서 사진가 토머스 서턴이 찍은 타탄 리본 이미지로, 오래 보존되는 컬러 사진을 처음 시연했다. 지금 이 글을 보는 화면도 같은 빨강·초록·파랑 원리로 색을 낸다.

빛은 전자기파였다

가장 위대한 업적은 1860년대 초 런던 킹스 칼리지에서 나왔다. 핵심은 '변하는 전기장이 자기장을 만든다'는 생각이었고, 맥스웰은 이것을 '변위 전류'라고 불렀다. 변하는 자기장이 전기장을 만든다는 사실은 이미 알려져 있었으므로, 둘을 합치면 전기장이 자기장을, 자기장이 다시 전기장을 만드는 사슬이 생겨 빈 공간을 파동처럼 나아간다.

1862년 무렵 그 파동의 속도를 계산하자 측정된 빛의 속도와 거의 같았다. 1865년 논문 「전자기장의 동역학적 이론」에서 그는 빛이 곧 전자기적 교란이라고 제안했다. 이렇게 광학과 전자기학이 하나가 되었다. 완성된 이론은 1873년 『전기와 자기에 관한 논고』에 담겼고, 오늘날 교과서의 간결한 네 방정식 형태는 올리버 헤비사이드의 공으로 여겨진다.

네 방정식을 말로 풀면

수식 없이 말하면 맥스웰 방정식은 대략 이런 내용이다. 전하는 전기장을 만든다. 자석의 N극이나 S극만 따로 떨어져 있는 일은 없다. 변하는 자기장은 전기장을 만든다(발전기의 원리다). 전류와 변하는 전기장은 자기장을 만든다. 이 네 문장에서 라디오, 레이더, 전자레인지, 전동기가 나왔다.

기체, 도깨비, 그리고 연구소

1859년부터 1866년까지 그는 기체 분자의 속도 분포를 통계적으로 설명하는 '맥스웰–볼츠만 분포'를 발전시켰고, 1867년에는 빠른 분자와 느린 분자를 골라내는 작은 존재를 상상한 사고 실험 '맥스웰의 도깨비'를 고안했다. 1871년에는 케임브리지 대학의 초대 캐번디시 물리학 교수가 되어 캐번디시 연구소 건립을 이끌었다.

너무 이른 죽음, 새로운 시대

맥스웰은 1879년 11월 5일 케임브리지에서 복부 암으로 48세에 세상을 떠났다. 어머니가 세상을 떠난 것과 같은 병, 같은 나이였다. 아인슈타인은 훗날 맥스웰과 함께 한 과학 시대가 끝나고 새 시대가 시작되었다고 말했다.

맥스웰과 함께 배우는 한국어 표현

표현	뜻	예문
실마리가 풀리다	막혔던 문제가 풀리기 시작하다	문법 규칙을 알고 나니 실마리가 풀렸다.
동전의 양면	떼어 놓을 수 없는 두 가지	읽기와 쓰기는 동전의 양면이다.
우연이 아니다	분명한 이유가 있다	실력이 는 것은 우연이 아니다.
시대를 앞서가다	그 시대보다 앞선 생각을 하다	맥스웰은 시대를 앞서간 과학자였다.
수수께끼를 풀다	알 수 없던 것을 밝혀내다	그는 토성 고리의 수수께끼를 풀었다.

연습: 맥스웰은 따로 보이던 것들을 하나로 묶었다. 언어 공부에서 '동전의 양면'이라고 생각하는 두 능력에 대해 '실마리가 풀리다', '우연이 아니다'를 넣어 한국어 문장 세 개를 써 보자.