호킹이 말하는 전기력과 자기력
우리가 우주를 이해할 수 있게 된 건 우주가 과학법칙들에 의해서 지배된다는 걸 알기 때문입니다. 우주의 행동이 모형화될 수 있음을 말해주는 것입니다. 가장 먼저 수학의 언어로 기술된 힘은 중력이었습니다. 1687년에 발표된 뉴턴의 중력법칙Law of universal gravitation(만유인력의 법칙)은 우주의 모든 물체가 다른 모든 물체를 자신의 질량에 비례하는 힘으로 끌어당긴다는 것입니다. 이 법칙은 당대의 지식인 사회에 큰 영향을 끼쳤습니다. 우주의 한 측면을 정학하게 모형화할 수 있음을 최초로 보여주었기 때문입니다. 자연법칙들이 존재한다는 생각은 약 50년 전 갈릴레오에게 내려진 이단판결의 빌미가 된 것과 유사한 쟁점을 부각시킵니다. 예를 들면 성서에는 여호수아가 가나안에서 고대 셈계 부족으로 기원전 2천년부터 기원전1천6백 년까지 메소포타미아, 시리아, 팔레스타인을 지배한 아모리족Amorite과 싸우는 중, 환한 낮 시간을 더 연장시켜 전투를 마무리하려고 해와 달이 운동을 정지하도록 기도했다는 이야기가 있습니다. 여호수아서에 따르면 그의 기도로 태양이 대략 하루 동안 멈추었습니다. 이는 지구가 하루 동안 자전하지 않았다는 뜻입니다. 이것이 사실이라면 뉴턴의 법칙에 따라서 지면에 묶여있지 않은 모든 물체가 지구의 원래 속도인 시속 170km로 계속 움직였다는 뜻입니다. 그렇다면 엄청난 일이 벌어졌어야 했습니다. 뉴턴만 해도 신이 우주의 운행에 개입할 수 있으며 실제로 개입한다고 거리낌 없이 믿었습니다.
중력 다음으로 법칙이 발견된 우주의 또 다른 측면은 전기력electric force과 자기력magnetic force입니다. 자기력이란 하전 입자들이 운동할 때 그 운동 때문에 입자 사이에 발생하는 인력 또는 척력을 말합니다. 자석이 철을 당기는 기본 힘이 전기력입니다. 전기력이 정지해 있는 전하 사이에 작용하며, 움직이는 하전 입자 사이에는 전기력뿐 아니라 자기력도 존재합니다. 자기력과 전기력은 여러 면에서 유사합니다. 자기력으로부터 전기력을 만들어낼 수 있고(발전소), 반대로 전기력으로부터 자기력을 만들어낼 수도 있습니다(전자석). 만유인력은 서로 끌어당기는 인력으로만 작용하지만, 자기력과 전기력은 자하와 전하의 부호에 따라 인력 또는 척력으로 작용할 수 있습니다. 즉 같은 종류의 전하electric charge들이나 자석의 극들을 서로 밀어내고 다른 종류의 전하들이나 자석의 극들은 서로 끌어당기는 것입니다. 전기력과 자기력은 중력보다 훨씬 세지만 우리는 일상생활에서 느끼지 못합니다. 왜냐면 거시적인 물체가 지닌 양전하와 음전하는 개수가 거의 같기 때문입니다. 따라서 거시적인 물체들 사이의 전기력과 자기력은 대개 거의 제로입니다.
18세기 중반부터 19세기 중반까지 약 100년 동안 발견한 것들 가운데 하나가 전기력과 자기력이 서로 연관성이 있다는 것입니다. 움직이는 전하는 자석에 힘을 가하고, 움직이는 자석은 전하에 힘을 가한다는 사실입니다. 전기력과 자기력의 관련성을 가장 먼저 안 사람은 덴마크 물리학자이며 화학자 한스 크리스티안 외르스테드Hans Christian Ørsted였습니다. 그는 1820년 대학 강의를 준비하다가 전지에서 나온 젼류가 근처에 있는 나침반의 바늘을 움직이는 걸 발견했습니다. 그는 그 후 움직이는 전기가 자기력을 산출한다는 걸 깨닫고 ‘전자기력electromagnetism’이라는 단어를 만들었습니다. 몇 년 뒤 영국 물리학자이며 화학자 마이클 패러데이Michael Faraday(1791-1867)는 전류가 자기장을 일으킬 수 있다면, 자기장도 전류를 일으킬 수 있어야 한다고 추론했습니다. 그는 1831년에 그가 추론한 효과를 입증했습니다. 그로부터 14년 뒤에 패러데이는 전자기력과 빛 사이의 연관성도 발견했습니다. 그는 강한 전자기력이 편광된 빛에 영향을 미칠 수 있음을 보여주었습니다.
패러데이는 정식 교육을 거의 받지 못했습니다. 그는 런던 근처의 가난한 대장장이의 집에 태어나서 13세에 학교를 그만두고 서점에서 사환 겸 제본 기술자로 일했습니다. 그곳에서 여러 해에 걸쳐 그는 관심을 가졌던 책들을 읽고 여유시간에 간단하고 저렴한 실험을 하면서 과학을 배웠습니다. 마침내 그는 위대한 화학자 험프리 데이비 경의 실험실에서 조수로 일하게 되었습니다. 패러데이는 이후 평생 그 실험실에 머물렀으며, 데이비가 타계한 후에는 그의 후계자가 되었습니다. 패러데이는 수학 때문에 고통을 당했고 수학을 많이 배운 적도 없었습니다. 따라서 실험실에서 관찰한 이상한 전자기 현상들을 이론적으로 이해하는 일은 그에게 벅찬 과제였습니다. 그럼에도 그는 그 일을 해냈습니다.
패러데이가 이룩한 지적 혁신들 중 가장 중요한 건 역장force field이란 개념이었습니다. 뉴턴 이후 패러데이까지의 수백 년 동안 물리학의 최대 수수께끼 중 하나는, 물리학 법칙들이 시사하는 대로 하면, 힘들이 상호작용하는 물체들 사이의 빈 공간을 뛰어넘어 작용을 하고 있는 듯하다는 점입니다. 패러데이는 그런 원격 작용이 마음에 들지 않았습니다. 대상을 움직이려면 무엇인가가 그 대상과 접촉해야 한다고 생각했습니다. 그리하여 그는 전하들과 자석들 사이의 공간이 보이지 않는 관tube들로 채워져 있으며, 그 관들이 물리적으로 서로 밀고 당긴다고 상상했습니다. 패러데이는 그 고나들을 역장이라고 명명했습니다. 역장을 가시화하는 좋은 방법은 막대자석 위에 유리판을 놓고 그 위에 철가루를 뿌리는 것입니다. 초등학생 시절 누구나 했을 법한 이 실험에서 유리판과 철가루 사이의 마찰을 극복하기 위해 유리판을 몇 번 가볍게 두드리면, 철가루가 보이지 않는 힘에 밀리는 것처럼 움직여서 자석의 양극을 잇는 圓弧(원호)들의 패턴으로 배열됩니다. 그 패턴은 공간에 퍼져 있는 보이지 않는 자기력의 지도입니다. 오늘날 우리는 모든 힘이 장field에 의해서 전달된다고 믿습니다.