멀리 떨어진 물체들 사이의 모든 작용은 공간에 펼쳐진 '장 場 field'에 의해 매개된다는 것이 현대의 해석이다. 예컨대 자석이 놓이면 그 주위 공간에는 자기력선들로 채워진 자기장이 형성되어, 만약 이 자기장에 이동하게 된다. 즉 자석이 철을 직접 끌어당기는 것이 아니라, 자석에 의해 형성된 자기장이 철에 영향을 준다는 것이다.(p17)... 운동량과 에너지를 품고 있는 공간, 그것이 바로 '장'이다.(p199)
<패러데이 & 맥스웰 : 공간에 펼쳐진 힘의 무대>는 '장'과 여기에 작용하는 '힘'에 대한 이야기를 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791 ~ 1867)와 제임스 클러크 맥스웰(ames Clerk Maxwell, 1831 ~ 1879)의 이론을 중심으로 풀어간 책이다.
패러데이는 전자기 현상을 연구하는 과정에서 '원거리 직접 작용'을 버리고 전기와 자기 작용이 '힘의 선 lines of force'을 따라 점진적으로 전달된다는 개념을 처음으로 제안했으며, '장 field'이라는 용어도 처음으로 사용했다. 맥스웰은 이를 발전시켜 모든 전자기 현상을 역학적 매질의 작용으로 설명하는 수학적인 '전자기장' 이론을 완성했으며, 힘이 전달되는데 시간이 걸릴 것이라는 패러데이의 추측도 이론적인 계산을 통해 그 정확한 속도를 예측해냈다.(p18)
패러데이의 전자기 장 연구에서 중요한 것은 힘의 선들을 통해 연결된 물질과 자기력선으로 채워진 진공(眞空)이다. 이러한 개념을 이어받은 맥스웰은 유체튜브 모형을 통해 패러데이의 이론을 수학적으로 규명하였는데, 패러데이와는 달리 '에테르'라는 전달자를 생각했다는 점에서 맥스웰 모형은 패러데이 모형과 차이를 갖는다.
1844년 패러데이는 <전기 전도와 물질의 본성에 대한 사변>이라는 짧은 글을 통해, 물질과 힘의 관계를 근본부터 뒤엎는 착상을 발표했다...이 책에서 물질은 힘의 선들의 수렴점으로 간주되었다. 그리고 힘의 선과 물질은 각각 그물의 끈과 매듭에 비유됐다. 이에 따르면 서로 떨어진 물질들 사이의 상호 작용은 더 이상 문제가 되지 않았다. 왜냐하면 그물의 모든 매듭들이 끈을 통해 연결되어 있듯이, 모든 물질은 힘의 선들을 통해 연결되어 있기 때문이다.(p119)
1850년 그는 자기 전도 이론 theory of magnetic coduction을 도입함으로써 진공의 자기 융도능력을 설명하는 데 성공했다. 이 이론에서, 자기 유도를 매개하는 것은 물질이 아니라 자기력선 자체가 되었다... 이로써 아무것도 없는 무능력한 공간으로 간주되던 진공은 이제 자기력선으로 채워진 활동적인 공간이 되었다.(p125)
맥스웰이 전자기 유도를 설명하는 데 쓰였던 '소용돌이 분자 - 유동 바퀴' 모형 내에서 전자기 작용은 분명히 연속된 매질을 통해 전달되나 결과적으로는 순식간에 전달되는 원거리 작용과 다를 바가 없었다. 맥스웰이 매질에 부여한 탄성은 이러한 상황을 개선할 수 있었다... 맥스웰은 자신이 고안한 탄성 매질에서의 작용 전달이 에테르라는 탄성 매질에서의 횡파로 알려져 있던 빛에 대응될 수 있겠다는 추측을 했다.(p176)
맥스웰이 유체 튜브는 패러데이의 힘의 선을 셀 수 있는 대상으로 만들어 주었다. 즉 힘의 선의 개수는 단위 튜브의 개수로, 힘의 선의 밀도는 단위 튜브의 밀도로 세어졌다. 맥스웰의 유체 시스템은 패러데이가 얘기했던 힘의 선의 긴장 강도라는 개념도 구현해냈다... 유체 시스템의 이러한 특성은 패러데이가 암묵적으로 생각하고 있었던 힘의 선과 전하 사이의 수학적 특징을 그대로 구현하고 있었다.(p141)
정리하면, 빈 공간에 작용하는 힘의 전달자로서 '힘의 선'을 주장한 패러데이에 대해 맥스웰은 빈 공간을 에테르로 채웠다는 점에서 차이를 가진다. 이러한 맥스웰의 주장은 후에 아인슈타인(Albert Einstein, 1879 ~ 1955)에 의해 폐기되지만, 에테르 Aether라는 전달자 개념은 여러 면에서 우리에게 생각할 거리를 던져 준다.
패러데이는 공간을 매질로 가득 채우는 것을 선호하지 않았지만, 맥스웰은 힘의 선을 묘사하기 위해 공간을 매질로 가득 채워야 했다. 패러데이는 분명 매질의 영향을 중요하게 생각했지만, 서로 다른 매질은 힘의 선을 통과시키는 정도에 차이를 주는 것으로서, 결국 작용을 전달하는 것은 힘의 선 자체라고 보았다... 반면 맥스웰은 물질과 독립된 힘의 선을 인정하지 않았다. 모든 현상은 물질의 운동을 통해 매개되는 연결된 메커니즘으로 기술되어야 했다. 이를 위해 공간은 뉴턴의 역학 법칙에 따라 작동하는 탄성 매질로 가득 채워졌고, 결국 힘의 선은 이 탄성 매질의 역학적 상태가 되었다.(p191)
맥스웰은 그의 방정식이 물질적인 매질을 필요로 하지 않는다는 점을 인식하지 못했다. 아인슈타인은 그 점을 지적함으로써 전자기장을 매질에서 해방시켜주었고, 덕분에 전자기장은 공간에 스스로 존재하는 실체로 승격되었다.(p200)
아리스토텔레스(Aristoteles, BC 384 ~ BC 322)의 제5원소이기도 한 에테르는 완전한 원소이며 물질을 의미한다. 그렇지만, 실상 에테르는 '자연은 진공을 싫어한다'는 아리스토텔레스의 주장을 반영한 가상의 물질에 불과했지만,. 천상의 영원한 원운동을 가능케 하는 매체로서 에테르는 뉴턴(ir Isaac Newton, 1643 ~ 1727)과 맥스웰에게까지 영향을 미치며 질긴 생명력을 보여주었다.
개인적으로는 '에테르'라는 개념이 '없다'라는 상태를 나타내는 단어의 명사형인 '없음'의 다른 표현이 아닐까 생각해본다. 플라톤(Platon, BC 428 ~ BC 348)의 대화편에 나타나듯, 모든 상태를 명사화하고 개념으로 만들고 정의(定義)를 내리려는 고대 철학의 유산의 잔재가 바로 에테르가 아닐까. 진공 상태를 '없다'라는 상태가 아닌 '진공'이라는 다른 물질을 만들어냈고, 여기에 자연법칙을 부여한 결과가 에테르라면 맥스웰 역시 플라톤의 함정에 빠진 것은 아닌가 싶다. 이에 대해서는 러셀(Bertrand Arthur William Russell, 1872 ~ 1970)의 '기술이론 theory of description'을 참고하면 좋을 듯하다. 에테르에 대한 이야기가 길어졌는데, 패러데이와 맥스웰이 후대에 미친 영향을 옮기며 이 리뷰를 마무리하도록 하자.
오늘날 전자기장이라는 개념 속에서 우리는 적어도 세 사람을 함께 만나게 된다. 전기와 자기 작용이 공간에 펼쳐진 힘의 선을 따라 전달된다는 생각을 고안한 패러데이, 패러데이의 힘의 선에 수학적인 방정식을 입혀 정교한 전자기장 개념을 정립한 맥스웰, 그리고 에테르를 제거하여 전자기장을 공간에 존재하는 실체로 다시금 승격시켜준 아인슈타인이 그들이다.(p201)