여러분의 하루는 어떤 모습인가요? 스마트폰 알람 소리에 일어나 날씨와 뉴스를 확인하겠죠. 메신저나 문자, 이메일을 통해 사람들과 연락을 주고받을 겁니다. 영상을 보거나 SNS를 확인하거나 틈틈이 바쁘겠죠. 한시도 전자기기를 손에서 놓을 수 없는 세상입니다. 현대문명을 한마디로 전자기문명의 시대라고 말할 수 있습니다. 불과 100여 년 만에 우리의 삶을 송두리째 바꾼 전자기 이론의 정립 덕분입니다. 물리학 최초의 통일이론인 전자기 이론의 숨은 의미는 무엇일까요? 전기와 자기를 처음 발견했을 때는 독립적으로 나눠 연구했습니다. 전기와 자기에 대한 탐구는 1700년대 후반부터 본격적으로 시작됩니다. 1785년 샤를 드 쿨롱(Charles-Augustin de Coulomb, 1736~1806)은 ‘정전기 법칙(Static electricity)’을 발견했습니다. 전기를 띤 두 물체에 작용하는 힘은 두 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다는 내용이었죠. 전하량과 힘을 측정한 실험의 결과였습니다. 정전기 법칙은 당시 뉴턴의 만유인력의 법칙처럼 ‘역제곱의 법칙(inverse square law)’의 성질을 갖고 있었습니다. 이는 자연계에 존재하는 통일성 있는 아름다움으로 인식되기도 했죠. 1820년 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted, 1777~1851)는 전류가 흐르는 도선 주변에서 나침반의 바늘이 움직이는 것을 발견하고 전기와 자기 현상이 서로 관련돼 있음을 직감했습니다. 같은 해 장 바티스트 비오(Jean-Baptiste Biot, 1774~1862)와 펠릭스 사바르(Felix Savart, 1791~1841)는 외르스테드의 발견을 ‘전류가 흐르는 도선에서 발생한 자기장은 전류에 수직이고 그 세기는 거리의 제곱에 반비례한다’라는 공식으로 표현했습니다. 이것이 ‘비오-사바르의 법칙(Biot-Savart’s law)’으로, 자기장에 관한 역제곱의 법칙입니다. 한편 1823년 프랑스의 앙드레마리 앙페르(André-Marie Ampère, 1775~1836)는 닫힌 회로에서 흐르는 전류는 자석처럼 작용한다는 ‘앙페르의 회로 법칙(Ampère’s Circuit Law)’을 발견했습니다. 이는 전류에 의해서 자기장이 유도됨을 밝힌 것이었죠. 영국의 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)는 1831년 자기장에 관한 전자기 실험을 하던 중 자기장의 변화에 의해 전류가 유도될 수 있음을 발견했습니다. 이것이 패러데이의 ‘전자기 유도 법칙(Electromagnetic induction law)’입니다. 이로써 전기, 자기에 대한 현상과 전기와 자기가 서로를 유도할 수 있음을 입증한 것입니다. 패러데이는 이 두 현상이 유기적으로 통일될 수 있다는 직관을 갖고 있었지만 수학적 언어로 표현하지는 못했습니다. 전기와 자기현상에 대한 법칙을 통일한 것은 영국의 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell 1831~1879)입니다. 맥스웰은 전기와 자기에 관한 공식을 단순히 정리해 집대성한 것이 아닙니다. 이를 유기적으로 결합해 표현할 수 있도록 ‘장(field)’이라는 개념을 도입했죠. 당시에는 힘은 즉각적인 원격작용에 의한 것이라는 뉴턴 역학에 영향을 받았습니다. 기계적 작동의 기저원리로서 전자기력이 동작할 것이라는 믿음이 있었습니다. 또한 빛의 파동성이 알려지면서 매질을 따라 전파되는 파동의 원리를 빛도 따를 것이라는 추측도 있었습니다. 하지만 맥스웰은 전기장, 자기장의 개념을 새롭게 도입합니다. 전기 자기현상인 쿨롱의 법칙과 비오-사바르의 법칙을 일관된 방식으로 표현합니다. 또 각각의 유도현상인 앙페르의 법칙과 패러데이 전자기 유도 법칙을 표현합니다. 앙페르의 공식이 완전하지 않음을 발견하고 ‘변위전류(displacement current)’라는 항을 도입해 수정 보완합니다. 전기장의 변화로 자기장이 유도됨을 완성하죠. 결론적으로 전자기파라는 파동이 전기장과 자기장의 매개를 통해서 에너지를 전달할 수 있음을 발견한 것입니다. 이는 힘이 즉각적으로 작용한다는 당시의 뉴턴역학적 사고를 정면으로 반박하는 내용입니다. 맥스웰이 이룩한 전자기력의 통합이론과 전자기파의 존재에 대한 이론적 발전과 실험적 검증은 후대 학자들에 의해 이뤄졌습니다. 올리버 헤비사이드(Oliver Heaviside, 1850~1925)는 맥스웰이 정리한 20개의 전자기 방정식을 벡터 해석을 이용해 4개의 간단한 형태로 정리했습니다. 존 헨리 포인팅(John Henry Poynting, 1852~1914)은 전자기 에너지가 전파되는 양을 정의했습니다. 조지 프랜시스 피츠제럴드(George Francis Fitzgerald, 1851~1901)와 헨드릭 로런츠 (1853~1928)는 빛의 이론을 연구했고 후에 상대성이론의 모태가 되는 ‘로런츠-피츠제럴드 수축(Lorentz-Fitzgerald contraction)’과 ‘로런츠 변환(Lorentz transformation)’을 발견합니다. 한편 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894)는 실험적으로 전자기파를 발생시켜 이를 멀리 떨어진 거리의 수신기에서 검출함으로써 전자기파의 존재를 입증했습니다. 맥스웰의 전자기이론은 전자기파를 기술하는 성공적인 이론입니다. 이론을 정립하는 과정에서 맥스웰은 변위전류와 전기장, 자기장의 도입을 통해 공식화한 개념의 진보를 이뤘습니다. 이를 통해 힘에 대한 뉴턴역학적 사고방식을 넘어서는 패러다임을 보여주죠. 전자기 이론의 발전은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)의 상대성 이론의 모태가 됐습니다. 실제로 아인슈타인은 자신의 연구실에 맥스웰의 사진을 걸어 둘 정도로 맥스웰을 존경했다고 합니다. 전자기 이론은 전기와 자기 이론의 통합을 통해 새로운 과학의 토대를 마련한 것이죠.