패러데이 & 맥스웰 : 공간에 펼쳐진 힘의 무대

Chapter 1 초대
힘은 어떻게 전달될까?
힘은 ‘직접’ 작용한다: 뉴턴의 만유인력
힘은 장에 의해 매개된다: 공간에 펼쳐진 ‘장’
패러데이와 맥스웰

Chapter 2 만남
1. 19세기 과학자가 되는 길
패러데이, 제본공 도제가 되다
거리에서 과학을 배우다
화학자의 도제로 훈련받다
과학의 문화적 상징이 되다
맥스웰, 엘리트 코스를 밟다
케임브리지의 우등생이 되다
맥스웰, 물리학자가 되다

2. ‘힘의 선’의 탄생
전기와 자기
전류가 나침반의 바늘을 움직이다
도선 주위에 원을 그리다
자석과 도선을 회전시키다
자기로 전류를 만들어내다
자기작용선을 자르면 전류가 유도된다
공간에 ‘힘의 선’을 그리다

3. ‘힘의 선’으로 그린 새로운 세계
전기 분해에서 전류의 본질을 읽다
절연체의 분극 긴장에서 정전기 유도의 본질을 읽다
전하는 언제나 쌍으로 존재한다.
정전기 유도는 매질의 긴장 유지 능력에 의존한다
휘어진 전기 유도선
학계의 냉담한 반응
반자성체의 발견
자기 투과율의 차이로 자기 작용을 설명하다
‘힘의 선’에 물리적 실재성을 부여하다
‘힘의 선’으로 그린 새로운 세계

4. 뉴턴의 품에 들어온 ‘힘의 선’
유체 튜브로 힘의 선을 구현하다
유체 시스템을 전기와 자기 현상에 적용하다
장의 양과 강도를 구분짓다
소용돌이 분자로 자기력선을 그리다
유동 바퀴로 전자기 유도를 구현하다
매질의 탄성 변형으로 전기력선을 그리다
전자기 작용의 전달 속도는 빛의 속도와 같다
모형 없이 방정식을 유도하다
부호가 틀리다
방정식으로 전자기파를 만들어내다
맥스웰의 장 개념

5. 공간에 펼쳐진 ‘장’의 의미
공간에 존재하는 실체로서의 ‘힘의 선’
탄성 매질의 상태로서의 ‘장’
에테르가 제거된 ‘장’



Chapter 3 대화
과학에 수학이 정말 필요해?

Chapter 4 이슈
과학에서 모형은 어떻게 사용되는가?
효과적인 교육 전달 매체로서의 모형
기억 보조 장치로서의 모형
이해와 설명의 원천으로서의 모형
이론적 탐색과 예측 도구로서의 모형
모형과 실재, 그리고 이론적 개념

뉴턴의 만유인력 개념은 힘에 대한 두 가지 특징을 암묵적으로 담고 있었다. 하나는 떨어져 있는 물체들 사이에 아무런 매개 없이 힘이 ‘직접’ 작용한다는 점이며, 다른 하나는 그 힘을 주고받는데 시간이 걸리지 않는다는 점이다. 즉 뉴턴의 힘은 멀리까지 전달되기 위해 어떠한 매개물도 필요로 하지 않으면서, 물체가 놓이는 즉시 저 멀리에 있는 물체까지 곧바로 작용했다. 이러한 특징 때문에 뉴턴의 힘 개념은 ‘원거리 작용’ 또는 ‘원거리 직접 작용’으로 불렸다. .... 오늘날 물리학자들은 뉴턴의 ‘원거리 직접 작용’과는 다른 그림을 그리고 있다. 멀리 떨어진 물체들 사이의 모든 작용은 공간에 펼쳐진 ‘장’에 의해 매개된다는 것이 현대의 해석이다. 그러나 ‘장’을 매개로 힘을 주고받든, ‘원거리 직접 작용’에 의해 힘을 주고받든, 멀리 떨어진 물체들이 힘을 주고받는다는 것은 결과적으로 똑같은 것이 아닌가? 자석이 철을 직접 잡아당긴다고 말하나, 자석이 만든 자기장에 의해 철이 영향을 받는다고 말하나 결국 철이 자석을 향해 움직이기는 마찬가지 아닌가? 그러나 ‘장’을 매개로 히이 전달된다는 생각과 ‘원거리 직접 작용’이라는 생각 사이에는 커다란 차이가 있다. 그것은 바로 시간이다.

헤르츠의 실험을 통해 완전히 입증된 것처럼 보였던 맥스웰의 ‘전자기장’은 이후에도 변화를 겪게 된다. 20세기 초, 아인슈타인은 전자기장과 빛을 기술하기 우해 필수적인 것으로 간주되었던 ‘에테르’라는 매질을 제거함으로써 전자기장의 의미를 바꾸어버렸다. 오늘날 사용되는 전자기장의 의미는 바로 이러한 아인슈타인의 작업에 의해 완성되었다고 할 수 있다. 즉, ‘장’이라는 개념이 처음 고안되어 완성되기까지 100년이 걸린 셈이다.