고대 그리스의 자연 철학자로부터 그 후의 모든 철학자와 과학자의 중심적인 관심사는 2개입니다.1)이 세계는 무엇이고 어떻게 구성되는지?2)이 세상은 어떤 원리로 작동하고 있는지?20세기 최고의 물리학자로 알려진 리처드·파인만은 만약 인류가 언젠가는 멸망의 위기에 직면하고 기존의 인류의 지식이 모두 소멸될 경우 살아남은 인류에 단 한푼의 지식을 전할 수 있다면 어떤 지식을 전해야 할까?라는 질문에 주저 없이”세상의 만물은 원자에서 구성되어 있다”라는 지식을 남기고 주면 좋겠다고 말했습니다.이 지식만 가지고 있으면 인류가 발전시킨 문명을 다시 바닥에서 살릴 것이라고 말했습니다.”세상의 만물은 원자에서 구성되어 있다”이 구절이 그만큼 중요한 사실입니다.그런데 재미 있는 것은 고대 그리스의 자연 철학자 데모크리토스(B.C460~B.C370)도 “이 세상은 더 이상 나눌 수 없는 입자인 원자에서 구성되어 있다”라고 주장했어요.(고대 원자설)데모크리토스의 통찰은 2400년이 지나면서 과학적으로 입증되고 그 지점에서 과학은 비약적으로 발전하게 됩니다.이처럼 1)이 세상은 무엇이고 어떻게 구성되고 있는가?2)이 세상은 어떤 원리로 작동하는지?라는 질문은 수천년간 인류 문명을 이끌어 가는 사람의 핵심적인 주제지만 자신이 어디서 무엇을 하더라도 이런 근본적인 질문을 해서 그것을 자신의 일과 연결시키고 자신의 일로 기존에 없던 새로운 무언가를 만들어 낼 수 있어야 합니다.창의성이라는 것은 그렇게 탄생하는 것이고, 퀴즈를 몇개 풀고 머리 속에서 입체 도형을 몇가지 회전시킨다는 건 아니에요.과학의 발전 과정에서 매우 중요한 적이 있는데 그것은 자기, 전기, 빛, 파동에 대한 발견과 이해입니다.참고로 물리학자의 생각 가장 위대한 물리학 이론을 순위에 매긴 결과는 다음과 같습니다.1)양자 역학 2)상대성 이론 3)만유 인력과 운동 3법칙 4)전자기학과 전자기 유도 5)반도체와 토란 지터 6)엔트로피의 법칙 7)빛의 이중성 8)쿼크의 발견과 표준 모형 9)빅뱅과 현대 우주론 10)레이저와 광학 여기에서 전자기학의 발전 과정이 현대 과학 문명 발전 과정의 상당 부분을 차지하며 전자기학을 발전시킨 과학자들의 역량에는 배울 점이 많으니 한번 볼 필요가 있습니다.
이 우주에는 4가지 힘이 존재합니다.
네 가지 힘과 물질
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네 가지 힘과 물질
전자기학은 어떻게 발전했을까요?그 과정을 개략적으로 보면 다음과 같습니다.전자기학을 더듬어 가면 약 20명의 인물을 만납니다.보통 사람은 그냥 지나 버린 현상을 호기심을 갖고 바라보며 끈질기게 늘어진 결과가 오늘날 과학 문명을 만들게 된 것을 확인할 수 있습니다.1)호박으로 정전기 현상을 관찰한 탈레스(Thal̄ s-BC624년~BC545년)
탈레스와 호박
“어라, 호박을 문지르면 물체가 달라붙네”아마 인류가 처음 관찰한 전자 기력은 천둥이었던 게 아닌가 생각됩니다.그러나 번개는 천둥을 동반하고 고대인에게는 공포와 경외의 대상이 됐을 뿐 연구의 대상이 되지 않았습니다.전자기학의 첫 시작은 처음 고대 그리스의 자연 철학자 탈레스입니다.최초의 자연 철학자로 알려진 그리스의 탈레스는 이 세상은 하나의 근원인 “물”에서 파생되고 만들어졌다고 주장했습니다.기원전 600년경의 어느 날, 탈레스가 모피로 호박(보석)의 먼지를 닦고 있자 새털이 달라붙는 것을 보고전기의 존재를 알았습니다.호박이 그리스어로 elektron이지만, 여기에서 전기를 뜻하는 electricity에서 유래했다고 합니다.탈레스가 관찰한 것이 정전기입니다.이처럼 일상 생활에서 관찰된 정전기는 그저 흥미로운 것에 지나지 않은 채 거의 2000년의 시간이 되어 갑니다.한 단계 올라서는 것이 이렇게 어렵습니다.*호박:나무에서 나오는 송진이 땅속에 묻히고 장기간에 걸쳐서 화석화된 것으로 화학 성분은 C40H64O4이다.호박은 나무에서 나오는 송진이 땅에 떨어져서 묻힌 후 퇴적층 내에서 고온과 고압 조건을 받으며 분자 중합화 과정을 거치는데 1000년 정도가 지나면 반 화석화하고 이런 지속적인 열과 압력을 1000년 정도 더 받게 되면 호박이 형성된다.보석은 거의 모두 결정성 광물로 구성되어 있는데 호박은 결정질 광물이 아니라 유기물 기원의 물질이나 보석으로 간주된다.탈레스를 최초의 자연 철학자라고 합니다.자연 철학이라는 것은 자연에서 일어나는 현상을 철학적으로 설명하려는 분야입니다.과학이 본격적으로 발전하기 전에는 자연과 사물을 연구하는 분야가 바로 자연 철학입니다.뉴턴의 프린키피아의 의미가 자연 철학의 수학적 원리입니다.그것까지도 자연 철학이었어요.탈레스가 호박을 문질러서 정전기를 발견했다는 사실 자체가 중요하지 않아요.기원전 600년에 살던 탈레스는 세상이 있는 원리로 움직인다고 생각했습니다.이 세상이 그저 무질서하게 움직이는 것은 아니고 어떤 원리와 근원이 있다고 생각하고 그 근원을 물이라고 주장했습니다.그리고 세상의 여러가지 현상을 관찰하고 기록하면서 그 안에 담긴 한 원리를 찾으려고 했어요.바로 이런 태도가 중요한 것입니다.만물의 근원이 물이라고 결론은 지금 생각하면 말이 안 되는 말인데, 어떤 체계를 세우려 했다는 최초의 시도였다는 점에서 의의가 있습니다.탈레스 이후의 학자들이 탈레스가 던진 이 작은 명제에 대해서 반론을 제기하고 토론하는 과정에서 문명의 여명이 밝아졌습니다.전자기학도 그가 호박을 문질렀을 때, 물체가 붙는 현상인 정전기가 발생한다는 매우 간단한 사실의 기록에서 시작됩니다.대부분의 사람이 그냥 지나 버린 그 현상을 그저 신기한 현상이라고 생각하고, 단지 기록했을 뿐입니다.그런데 이 기록이 나중에 큰 영향을 미치게 됩니다.전기 electricity가 호박을 뜻하는 elektron에서 유래하는 것은 우연이 없습니다.탈레스가 왜 만물의 근원을 물이라고 주장했을까요?탈레스가 왜 모피에서 호박을 문지르면 달라붙는 것을 기록한 건가요?아니, 탈레스가 어떻게 만물의 근원이 물질적인 어떤 형태로 존재한다고 생각했을까요?이것이 당시로서는 획기적인 발상입니다.당시는 이른바 신화적 사고를 가지고 있었습니다.그리스 철학을 미토스(신화)에서 벗어나로고스(이성)에 이동한 사건으로 평가합니다.탈레스는 신화적 사고로 이성적 사고와 관찰을 시작한 최초의 인간으로 평가할 수 있습니다.그래서 그를 최초의 자연 철학자라고요.2)자석의 발견과 컴퍼스의 활용
중국 한나라 때의 나침반
“뭐야 이건 철이 붙어 있어 물에 뜨면 한 방향을 가리킨다”자석은 그리스의 테사 리어 남동부 지역의 마그네시아(Magnesia)지역에서 자철광이 발견되고 마그네시아에서 발견된 마법의 돌이라는 뜻에서 Magnet라고 불리게 되었습니다.정전기와 자석의 발견은 과학이 없던 시대에 살았던 사람들에게는 너무 신기한 현상이었습니다.보통 어떤 물질에 힘이 작용하기 위해서는 눈에 보이지 않으면 안 되는지, 적어도 오감으로 감각을 가져야 하지만 정전기와 자석은 전혀 눈에 보이지 않고 떠난 상태에서 감각이 움직이지 않고 어떤 힘이 작용하기 때문에 매우 놀라운 현상이라고 인식했습니다.한편 고대 중국인은 자석을 물에 띄우면 늘 일정한 방향을 가리키게 우연히 알게 되었습니다.그래서 자석을 작은 바늘의 형태로 자유롭게 움직이도록 한 것이 나침반입니다.왜 이런 현상이 일어나는지는 몰랐습니다만, 항상 방향을 알리는 도구로 활용되었습니다.이 나침반이 바로 자력을 활용한 것입니다.그러나 이를 이해할 만한 아무런 지식도 없어서 그저 신기한 현상으로 남겨둔 채 오랜 시간이 되어 갑니다.3)자기학의 아버지 실험 과학의 아버지 길버트(Gilbert, William-1540년~1603년)
자기학의 아버지 길버트
“왜 나침반은 항상 북쪽을 가리키는 것일까?”탈레스에서 무려 2000년이 지난 뒤 내 캐릭터학의 아버지로 불리는 길버트가 등장합니다.수많은 사람들이 나침반을 보고호박에서 발생하는 정전기에 대해서 알고 있었지만, 길버트 이전의 사람들은 그것이 왜 그렇게 되는지 질문하지 않았습니다.그런데 윌리엄·길버트는 마침내”Why”라는 질문을 했습니다.그리고 그 질문에 대한 해답을 찾기 위해서 다양한 관찰과 실험을 하고 체계적으로 정리를 시작했습니다.영국의 의사였던 윌리엄·길버트는 정전기 및 자기에 관해서 주로 귀납적 방법(경험적)최초의 과학적 연구를 실시했습니다.그는 1600년[자석에 관해서]이란 책에서 처음 자기 현상과 정전기 현상의 차이를 명확하게 했습니다.그는 지구를 하나의 큰 자석이란 땅 자기 현상을 하나의 관점에서 통일한 것을 썼습니다.그는 컴퍼스가 왜 항상 북쪽을 가리키는 것인가라는 근본적인 의문을 가지고 있었습니다.결국 그는 지구 전체가1개의 자석이라는 가설을 주장합니다.놀랍지 않으세요?지구 전체가 하나의 자석이라고 처음에 생각해낸 것입니다.사고의 스케일이 엄청나죠?지구는 물리적으로 얼마나 큽니까?그것을 머릿속에 넣어 하나의 자석으로 바라본 거예요.상상은 이렇게 공간적 한계가 없습니다.눈에 보이는 공간의 제약을 넘고 생각합니다.눈앞에 보이는 것에 얽매여서는 안 됩니다.그는[자석에 관해서]에서 자신의 실험 과정과 결과를 매우 구체적이고 세부적으로 기록하는 후대 사람들이 그의 결과를 토대로 쉽게 발전하게 하였습니다.갈릴레이는 이런 길버트의 업적을 평가하고 길버트를 “세계 최초의 과학자”와 존경을 나타냈습니다.길버트는 호박처럼 마찰을 통해서 작은 물체를 잡는 성질을 띤 물질이 여러 종류가 존재한다는 사실을 발견하고 나침반이 왜 남북을 가리키는지도 설명했다.또 그동안 혼동된 정전기 현상과 자기 현상을 명확히 구분했습니다.오늘 전기를 의미하는 Electricity는 길버트가 호박을 뜻하는 elektron에서 정전기가 발생하므로, 전기라는 단어를 electricus Electricus라고 이름 붙인 것에 유래합니다.길버트는 호박에서 발생하는 정전기와 자석에서 발생하는 자기를 연구함으로써 후대의 갈릴레이, 케플러 등에 큰 영향을 미치는 전기학과 자기학의 학문적 탄생으로 이어지게 되었습니다.*반면 길버트는 모든 별이 지구를 중심으로 돈다는 천동설을 엉뚱한 주장이라고 부정했고, 지동설, 즉 태양 중심설을 지지했습니다.길버트의 의의는 그의 저서”자석에 관해서”의 서문에 잘 나타나고 있습니다.”비밀의 발견, 그리고 숨겨진 원인의 탐구의 더 강력한 이유는 철학적 사색가의 그럴듯한 추론과 의견이 아니라 확실한 실험과 증명된 논증에서 나온다.”그의 실험 주의, 경험 주의, 논증 주의는 왜 그가 최초의 과학자라는 칭호를 받고 당연한지를 알 수 있습니다.최초의 자연 철학자 탈레스, 최초의 과학자 길버트, 그들의 특징을 잘 봐야 합니다.인류의 문명에 빛을 던지고 준 사람들, 처음에 씨를 심어 준 사람들입니다.이들 특징은 관찰과 기록, 사색, 호기심에 차 있어요.단지 남의 말을 맹목적으로 믿는 것이 아니라 근본적인 이유를 알고 싶어 하는 태도, 끝없는 호기심을 가졌습니다.4)직각 좌표계를 고안한 데카르트(Rene Descartes:1596년~1650년)
데카르트와 직각 좌표계
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선, 엔, 타원 곡선 등의 도형을 수식으로 표현하는 전자기학의 발달에는 수학의 발달이 전제가 될 필요가 있습니다.수학의 발달에 획기적인 전기를 만든 사람이 바로 데카르트입니다.데카르트는 수많은 학문의 영역을 넘나들었지만 논거의 명확성에 의해서 수학을 제일 좋아했다고 합니다.학문적으로나 사상적으로도 근대의 물꼬를 튼 사람이 바로 데카르트입니다.보통 데카르트를 근대 철학의 물꼬를 튼 사람, 방법적 회의를 통한 합리론을 정립한 대표 인물로 알려지고 있지만 사실 데카르트는 수학자로서도 큰 족적을 남겼습니다.미지수 x, 거듭 제곱을 표현하는 방식, 직각 좌표계의 고안 등, 그는 수학 분야에서 많은 개념을 확립했습니다.수학의 분야에서 데카르트의 최대의 실적은 해석 기하학의 창시입니다.”방법 서설”의 부록인 “기하학”에서 데카르트는 “좌표”이란 개념을 제시했지만 이 개념에서 그는 해석(해석)기하학의 토대를 두고 그 파급 효과는 대단했었습니다.그가 고안한 직교 좌표계는 이전까지 독립적으로 취급되던 대수론과 기하학을 체계적으로 융합시키며 자신 이후 뉴턴 역학을 비롯한 근대 수학과 과학의 발전에 바탕이 되었습니다.데카르트의 직교 좌표계는 당시까지 지배적이었다 유클리드의 기하학적 공간을 대체하고 이는 아인슈타인이 새로운 공간 개념을 도입할 때까지 계속 사용되었습니다.*직각 좌표계 도입의 의의 직각 좌표계는 가로 x축, 세로 y축의 서로 수직으로 교차하는 직선 좌표 축을 기준에 점이나 벡터의 좌표를 표시하는 좌표계이다.직교 좌표계 혹은 데카르트가 만들었다고 해서 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)라고도 불리며, 가장 널리 사용되는 좌표계입니다.직각 좌표계가 왜 중요한가?선, 면, 도형의 모양, 크기, 성질을 연구하는 기하학과 방정식의 해법을 연구하는 대수학을 직각 좌표계를 도입함으로써 종래 독립적으로 연구되던 기하학과 대수학을 통합하고 해석 기하학을 창시한 때문입니다.아주 간단하게 말하면 선, 엔, 타원, 쌍곡선의 같은 도형을 방정식으로 표현할 수 있게 된 것입니다.예를 들어 원을 기하학에서는 하나의 점에서 거리가 같은 점의 집합이 이루는 도형이라고 정의되어있습니다만, 데카르트에 의해서 엔화는 x2+y2=r2을 만족하는 도형이란 등식으로 표현되는 것입니다.즉 방정식에서 도형을 표현하는 연구할 수 있게 되었으니 이것이 발전하고 뉴턴에 이르러서 미적분이 만들어지게 되었습니다.오늘 잘 보이는 수많은 그래프가 직각 좌표계를 활용하는 것입니다.직각 좌표계의 의미를 완전히 깨닫지 않으면 안 됩니다.기하학과 대수학을 통합한 것은 혁명이라고 해도 과언이 아닙니다.직각 좌표계는 지금 보면 아무것도 아니네요.옆 x축, 세로 y축의 서로 수직으로 교차하는 직선 좌표 축을 많이 볼 수 있고 실제 업무에서도 많이 활용합니다.이 간단한 발상을 데카르트 이전의 사람은 하나도 못했죠.한 개념을 눈에 보이는 것으로 시각화하는 지능을 공간 시각화 지능이라고 합니다.훈련을 거듭하면 어떤 개념을 머릿속에서 시각화시킬 수 있습니다.x2+y2=r2를 훈련된 사람은 엔이라는 모습으로 시각화할 수 있습니다.거꾸로, 일견 무질서에 보이는 현상으로 규정을 발견하는 능력을 추상 지능이라고 합니다.예컨대 기하학적 도형에서 방정식을 이끌어 낼 수 있는 능력입니다.추상 능력도 매우 중요한 역량입니다.이 두 공간 시각화 능력과 추상 능력을 결합한 것이 직각 좌표계인 것입니다.기하학과 대수학의 통합은 그래서 위대한 것입니다.너무 쉽게 공간을 시각화하고 추상화할 수 있도록 도구를 만들었습니다.데카르트가 이러한 발판을 마련함으로써 뉴턴이라는 위대한 과학자가 탄생한 고전 물리학을 확립할 수 있었습니다.직각 좌표계의 의미를 충분히 깨달은 사람은 이제 자기 분야에서 공간 시각화와 추상화를 적용할 수 있게 됩니다.인간의 기초 지능은 다음처럼 9개로 분류합니다.① 신체 운동 지능 ② 음악 미술 지능 ③ 공감 관계 지능 ④ 자아 성찰 지능 ⑤ 언어 구사 지능 ⑥ 관찰 분석 지능 ⑦ 공간 시각화 지능 ⑧ 논리 수학 지능 ⑨ 복합 추상 지성 속에서도 공간 시각화 지성과 복합 추상 지성은 매우 높은 수준의 지성입니다.자신의 일에서 개념을 추출하고 추출한 개념을 시각화하는 연습을 많이 해야 합니다.단 하나라도 성공하면 지금까지 없는 압도적인 성과를 만들어 낼 수 있습니다.5)미분을 확립한 고전 물리학을 완성시킨 뉴턴(Isaac Newton:1643년~1727년)미분을 발명한 뉴턴미분을 발명한 뉴턴”전기가 통하는 물체로 통하지 않는 물체가 있어 전기는 물질에 타고 이동할 수”스티븐·그레이는 영국의 전자기학 연구의 선구자, 반도체와 부도체과의 구별을 명확히 하고 그것이 물체의 색깔 등에 의한 것이 아니라 물체를 구성하는 물질의 속성이라는 사실과 인체도 반도체인 사실을 밝히고 전자기학의 발전에 기여하였습니다.1729년, 그레이는 전기가 선을 타고 움직일 수 있다는 것을 나타낸 최초의 실험을 실시했습니다.부도체는 전기를 잘 전달할 수 없이 전기를 띠고 있는 물질에서 반도체는 전기를 잘 전달되니까 전기를 띠고 있지 않음을 발견했습니다*그레이의 실험 내용 그레이는 길이가 1m에 주는 유리 막대기를 마찰시키고 전기를 발생시키고 깃털과 종이 등을 가져가 달라붙는 것을 관찰했다.또 이 막대에 손을 댔을 때 짜릿한 자극을 느꼈다.그레이는 몸이 전기를 통하고 있는지 의문이 생겼다.거기에서 자신이 데리고 있던 시종 한 사람을 실험 대상으로 했다.길고 튼튼한 비단의 끈을 2개 준비한 뒤 양 끝을 천장에 매달아 2개의 고리를 만들었다.고리 하나까지 양다리를 걸어 좀 하나로 어깨를 걸었다.그리고 끈을 올리고 시종이 수평인 자세로 공중에 뜨도록 했다.그레이는 우선 유리 막대기를 마찰하고 대전시킨 뒤 이를 일관의 발바닥에 댔다.그리고 시종의 머리에 손을 얹고 보면 짜릿한 자극을 받았다.이 실험을 통해서 전기가 사람의 몸을 통해서 머리부터 발끝까지 전달된다는 것으로 나타났다.그레이의 전기 전도 실험즉, 그레이는 정전기가 있는 물체는 전달되고 어떤 물체는 전달되지 않는다는 사실을 관찰했던 것입니다.점점 정전기에 대한 관심을 증대시키고 이전에는 몰랐다 정전기의 비밀이 하나씩 드러나는 계기를 만들었습니다.또 전기가 물체에 타고 움직인다는 것을 확인하였습니다.회색으로 의해서 전기 현상의 특징이 하나씩 드러나면서 지식이 축적되어 있습니다.하나씩 떼어 두면 대수롭지 않는 지식이 이렇게 축적되고, 축적되면 결국 있는 엄청난 일이 일어납니다.작은 관찰 내용을 헛되이 흘려서는 안 됩니다.아무런 관계도 아무런 의미도 없었던 것처럼 보이는 많은 현상이 어느 날 한장의 완벽한 그림을 보이다 날이 올것입니다.그레이가 보이고 준 역량은 축적입니다.관찰을 부지런히 하고 관찰된 사실을 축적하세요.어느 날 그 축적의 힘은 엄청난 결과에 돌아올 겁니다.7)전기가 2종류 있다고 밝혔다 듀페(Du Fay:1698년~1739년)”전기는 유리 전기, 수지 전기의 2종류가 존재한다”듀페은 프랑스의 물리학자이자 전기학의 기초를 개척한 인물입니다.그는 전기와 자기를 연구했지만, 금박 검전기를 쓰고 전기에 2종류 있다는 사실을 발견하고 각각 유리 전기, 수지 전기라고 명명했습니다.또 같은 종류의 전기는 내보내고 다른 종류의 전기는 잡아당기는 것을 발견했습니다.그가 발견했다2종류의 전기는 나중에 프랭클린에 의해서 양전기(+), 음전기(-)임이 밝혀졌습니다.정전기에 두개의 다른 성질이 있다는 사실을 관찰했던 것입니다.두 물체를 밀었을 때, 물체의 성질에 의해서 서로 당기거나 밀어내거나 하는 성질을 가진 정전기가 발생한다는 사실을 알았습니다.듀페도 관찰과 축적의 힘을 과시하는 사례입니다.8)최초의 축전지”라이덴 병”을 만든 뮤쯔셍 부르크(Pieter van Musschenbroek:1692년~1761년)뮤센부르크의 라이덴병뮤센부르크의 라이덴병”전기에는 양산 전기와 그늘 전기가 있음”벤자민·프랭클린은 미국의 100달러 지폐에 얼굴이 새겨진 미국의 정치가로 계몽 사상가로서 유명하지만, 전기 분야에도 그의 업적이 있습니다.라이덴 병의 이야기를 듣고 전기에 관심을 갖게 된 프랭클린은 40세로 전기 연구를 시작하게 되었습니다.그리고 46세의 1752년 비 오는 날 연을 날렸고 번개에서 라이덴 병을 충전시키는 방법으로 번개가 전기임을 입증했습니다.실험에 성공한 프랭클린은 결국 피뢰침을 발명했고, 많은 사람의 목숨을 구하게 됩니다.프랭클린의 번개 실험그는 모든 물질은 전기를 가지고 있고, 어떤 이유로 음전기를 빼앗기면 양전기로 양전기를 뺏긴다고 뒤 전기가 된다는 것을 발견했습니다.이에 따른 자석에 N극과 S극이 있듯이 전기도+전기와 전기가 있음을 밝혔습니다.거기에서 그동안 수지 전기 유리 전기라고 불렸던 전기의 성질을 음전기 양전기이라는 용어로 바꾸었습니다.날씨가 흐리거나 비가 오거나 폭풍이 몰아치는 때, 천둥과 번개가 울립니다.고대인들은 천둥 번개를 신의 분노라고 생각하고 두려워하고 있었습니다.일반적인 벼락의 강도는 5GJ입니다.J는 “에너지 또는 일의 단위”입니다.1J은 물체에 1N의 힘을 가하고 1미터 옮긴 때에 필요한 에너지를 의미합니다.GJ는 “Gigajoule”의 약어로, 10의 9제곱, 즉 100억 J를 의미합니다.히로시마에 투하된 원자 폭탄이 67TJ급인 것으로 원자 폭탄의 1만분의 1에 해당하는 에너지라고 생각하면 됩니다.보통 사람은 굳이 이렇게 위력적인 번개를 대상으로 실험할 용기가 없었습니다.프랭클린의 연을 날리고 번개를 받은 낙뢰 실험은 당시 세계에서 가장 위험한 실험과 고안되었습니다.그는 정규의 과학 교육은 받지 않지만 빈틈 없는 관찰자인 그의 실험은 매우 신중하고 정확하고 있어 잘 설명하고 있습니다.다만 정량적이지 않았지만 이는 아마 그가 수학에 대한 관심을 잃고 있어요.프랭클린의 특징을 보면 실험자이자 공상가이자 관찰과 기록을 치밀하게 한 사람입니다.작은 수첩을 만들어 매일 저녁에 그날 하루의 행동을 생각하고 각 계율과 관련하고 잘못된 일이 있으면 해당 란에 흑점을 들이도록 한다 등 자세한 방법을 제시했지만, 벤자민이 갖고 있던 수첩 형식에 착안하고 만든 “프랭클린 플래너”라는 일정 관리 수첩이 유명하든지 있습니다.관찰, 기록, 상상의 3개는 모든 종류의 능력 개발의 중요한 요소입니다.관찰과 기록의 중요성은 말할 것도 없고 상상 또한 매우 중요합니다.상상이란 무엇인가요?상상은 실제로 경험하지 않는 현상이나 사물에 대해서 마음 속에서 그리는 게, 혹은 외부 자극에 의하지 않고 기억된 생각과 새로운 심상을 떠올리는 것을 의미합니다.이들의 상상에는 회생적 상상과 창조적 상상이 있습니다.재생적 상상은 기억을 중심으로 상상하는 것이며, 창조적 상상은 기억이 아닌 생각을 계속하면서 상상하는 것입니다.보통 사람은 상상력도 부족하지만 상상력의 힘을 자세히 모릅니다.1960년 미국에서 출판된 성공학 베스트 셀러 사이코 사이바네티크스은 자신의 상상력으로 자신이 성공할 수 있다고 주장했지만, 성공을 상상하면 성공하고 실패를 상상하면 실패하게 된다고 말했습니다.이것이 100%진실은 아니지만 일부 옳은 부분이 있어 상상력은 공간 시각화 능력과 추상 능력 등과 결합하고 빨리 이해하고 추론할 수 있도록 하고 주어서 대단히 중요한 요소입니다.기존에 없던 것을 상상하는 능력, 눈에 보이지 않는 것을 상상하는 능력, 다가올 미래를 예측하고 상상하는 능력, 시공간의 장벽을 넘어 상상하는 능력, 이것이 잘 갈 사람은 상상의 세계를 조만간 현실에 만들어 낼 수 있게 됩니다.몰입 상태에서 상상 훈련을 제대로 하면 현실보다 더 리얼한 이미지를 체험할 수 있는데 처음 이런 경험을 한다면 너무도 생생한 이미지에 청천벽력이 따로 없습니다.상상에는 단계가 있지만 훈련이 반복되면 아주 짧은 시간에서도 희미한 상상이 점차 선명하고 구체적인 상상으로 이어지고 원하는 모습의 이미지가 즉시 출현하는 단계로 발전합니다.예를 들면 한 도면을 이미지로 출력하게 되지만 상상에서 얻은 정보를 현실에서 그대로 복사할 뿐이어서 매우 파워풀합니다.이들이 기능하는 메커니즘을 이해하려면 상당히 복잡한 지식이 필요합니다.창의적인 작업을 하는 사람에는 이런 기술이 불가피합니다.경험과 이성의 간격을 상상이 묻어 주니 상상력은 인간 지능, 지성 발달의 핵심적인 Key입니다.경험하지 않고 기억에 없는 내용에 대해서 자유롭고 구체적인 상상을 할 수 있도록 훈련해야 합니다.10)전류 현상을 발견한 갈바니(Galvani, Luigi:1737년~1798년)갈바니의 개구리 실험갈바니의 개구리 실험”정전기의 힘도 만유 인력처럼 하나의 수식으로 표현 할 수 있어”오늘 전하량의 단위로 표시하는 C(쿨롬)은 프랑스의 물리학자인 쿨롱의 이름을 딴 것입니다.쿨롱은 전하 사이의 힘을 정량적인 실험을 통해서 측정한 최초의 인물입니다.쿨롱은 전하의 단위에서 1크ー롱는 전류 1앙페아이 1초 동안 흘렀을 때에 이동한 전하의 양입니다.18세기 유럽은 정전기와 전기 현상에 대해서 연구가 활발히 진행되고 있었지만, 두 물체에 작용하는 전기의 힘을 어떻게 측정할 것인지가 중요한 관심사였습니다.전기의 힘은 매우 미세한 것으로 실험적으로 이를 증명하고 수학적으로 정리하는 것이 매우 어려운 과제였습니다.쿨롱은 만유 인력 법칙과 전기력이 어떤 관련이 있다고 생각하고 마침내 1785년에 다양한 전하량을 가진 공을 만들어 비틀림 저울로 힘을 측정하고 본 결과, 쿨롱은 두개의 공 사이의 힘은 전하량의 곱에 비례하며 두개의 공 사이의 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 알았습니다.전하 사이의 힘에 이 법칙은 쿨롱의 법칙이라 불립니다.이 쿨롱의 법칙은 만유 인력 법칙과 매우 비슷합니다.*만유 인력의 법칙:F=G(Mm/r^2*쿨롱의 법칙:F=ke*q1q2/r^2쿨롱의 법칙쿨롱의 법칙의 발견으로 세상에 존재하는 힘이 어떤 유사성, 대칭성을 갖고 있는지도 모른다는 생각을 하게 되었습니다.큰 연구 성과의 이면에는 항상 그게 가능한 측정기가 있지만, 쿨롱 법칙을 발견하는 데 결정적 역할을 한 측정기는 무엇일까요?그것은 비틀림 저울입니다.비틀림 저울은 1750년경 J. 미첼이 고안한 것입니다만, 전기의 조그만 변화를 실이 꼬임 모습으로 표현하고 미소한 힘의 차이를 측정하기 위한 획기적인 저울입니다.1785년 복제(Charles Coulomb)이 이 장치를 더 정밀하게 개량하고 이를 이용해서 전기력 및 자기력에 관한 쿨롱의 법칙을 발견한 것입니다.1881년 파리에서 열린 국제 전기 의회에서, 쿨롱의 업적을 기리기 위해서 전하의 단위를 복제라고 이름을 붙였습니다.쿨롱에 의해서 전기학은 겨우 정량적 연구가 가능한 물리의 영역으로서 인정 받게 되며, 보다 활발한 연구가 나아가는 계기가 되었습니다.쿨롱은 어려서부터 수학에 관심이 있었지만 집안 사정이 어려워지면서 계속 학업을 못하게 된 공병대에 입대하고 기술 장교로 됩니다.8년간 기술 장교로 각종 토목 공사를 지휘한 현장형 기술자가 되었습니다.이때 측정이라는 분야에 나름의 스킬과 감각을 체득한 것입니다.프랑스 과학 아카데미는 지구 자기장에 대한 과학적 관측에 대해서 더 높은 안정성과 민감도를 제공하기 위해서 수년 간 자기 나침반 구조의 향상에 대해서 상을 수여하고 있었지만, 기존의 해상 나침반은 베어링 마찰에 의하여 유발된 불규칙한 작동으로 정밀 작업에 적합하지 않았습니다.1776년 쿨롱은 비틀림 솜씨의 나침반을 만들어”Investigatons of the Best Method of Making Magnetic Neeldes”이라는 논문을 발표하고 1777년 상을 수상했습니다.이는 쿨롱이 측정에 관해서는 상당 수준에 이른 것을 나타내고 있습니다.쿨롱의 법칙을 발견하는 데 결정적 역할을 한 사람도 비틀림 저울인데, 이 저울의 특성을 한마디로 가시적으로 확인하기 어려운 미세한 힘의 작용 결과를 눈으로 확인할 수 있도록 확대했습니다.일종의 돋보기이었습니다.쿨롱의 비틀림 저울 실험쿨롱이 보이고 준 특징은 오랜 기간의 몰입과 함께 확대입니다.우리가 있는 사물과 현상을 제대로 이해하기 위해서는 때로 넓게 봐야 하며 때는 거시적으로 봐야 합니다.인간의 눈의 시야 영역에서는 모르는 것이 망원경이나 현미경으로 발견되는 것입니다.몰입하면서 한 순간이 되면 특정 시간, 특정 공간, 특정 사건에 초점을 두고 빠져들어 가야 하며 그 순간에 매우 미세한 차이를 발견하게 됩니다.그 미세함을 놓치지 않고 보면 현상을 조절할 수 있는 Key를 찾게 됩니다.쿨롱의 비틀림 저울은 사실 그리 복잡하지 않아요.단 하나, 확대해서 본 뿐이에요.일반적인 저울이 잴 수 없는 미세한 힘을 확대하고 보았습니다.그 결과 역사에 남을 발견하게 된 것입니다.자신이 하는 일에 어떤 고질적 난제, Bottleneck이 있다면 확대하고 봐야 합니다.하면 보통의 시각에서는 보이지 않는 문제의 본질을 확인할 수 있는 경우가 매우 많습니다.그냥 볼 수 없으면 확대하고 쉽게 해야 합니다.매우 간단하지만 어떤 문제가 있을 때 확대하고 보자는 생각을 못하기도 어떻게 확대해야 할지 방법을 고안할 수 있다 없습니다.12)정전기의 시대에서 움직이는 전류의 시대로 이끈 물리학자, 볼타(Volta, Alessandro:1745년~1827년)전류를 발명한 볼타”볼타 전지로 전기를 발생시키고 할 수 있다”갈바니의 친구였던 1800년 이탈리아의 물리학자인 볼타는 갈바니가 발견한 전기 현상을 동물 전기가 아니라 단지 금속을 용액 속으로 연결시키는 전류가 발생한다는 것을 증명했습니다.1800년 볼타는 동판(Cu)과 아연판(Zn)사이에 얇은 황산(H2SO4)에 적셨다 헝겊 조각을 겹겹이 겹친 것을 만들며, 전기가 발생함을 나타낼 수 있었습니다.전지를 쌓아 놓은 것부터 “전퇴(electric-pile)”이라고 불립니다.전퇴는 전기를 계속 내보낼 수 있어 인류가 정전기의 차원에서 벗어나는 전기를 이용할 수 있게 되는 첫걸음이 된 중요한 발명이라고 할 수 있습니다.즉”전류”을 발명한 것입니다.이 전퇴의 원리를 이용하고 보다 오래 사용할 수 있도록 만든 것을 볼타 전지(Volta cell)라고 합니다.전기의 압력을 나타내는 단위인 V(볼트)라는 기호는 그에게 딴 1881년에 만들어진 것입니다.볼타 전지의 원리볼타 전지의 원리전류가 자기력을 발생시키는 것을 발견한 알스테드”전선을 통해서 전류를 흘리자 주위에 자기력이 발생하는 “예전에는 자기 현상을 자석이나 자극과 결부 지어 생각하고 있었지만, 1820년의 할스테드의 발견에서 자석이 없는데 자기 효과가 발생할 가능성이 있다는 점을 알았습니다.이어 에르스텟의 발견은 전기와 자기의 대칭에 관한 논의로 연결되어, 그건 나중에 통일된 에너지의 개념이 등장하는 데에도 공헌했습니다.이에 대해서 영국의 유명 과학자 패러데이(Michael Faraday)는 “울스텟도의 발견은 그동안 깜깜핸 과학의 한 분야에 문을 크게 뜬 “으로 평가하기도 했죠.1820년 울스텟도는 대학에서 전기학에 대한 강의를 할 때, 볼타 전지에 전류를 흘렸는데 우연히 옆에 있던 나침반의 바늘이 회전하는 현상을 목격하게 되었고, 이것이 도대체 무슨 현상인지 연구를 하게 되었습니다.우연히 관찰된 나침반 바늘의 회전 현상을 그대로 좌시하지 않는 에르스텟에 의해서 인류 문명의 바뀌게 됐으니 감격하는 장면이죠.울스텟도는 볼타 전지의 양극과 음극의 양쪽 끝을 잇는 철사에 강한 전류를 흘렸습니다.북쪽에서 남쪽 방향으로 향하는 철사 옆에 나란히 있는 나침반 바늘이 철사의 방향과 수직으로 동쪽에서 서쪽으로 향하게 90도 회전하며 그 방향을 가리키는 계속한 것입니다.다음에 철사에 흐르는 전류의 방향을 바꾸었습니다.컴퍼스의 바늘은 바로 180도 회전하며 바늘은 철사가 놓인 방향에 상관 없이 바늘은 철사에 흐르는 전류의 방향으로 철사의 한쪽 옆이나 다른 고개를 돌렸어요.간단히 말하면 자석 주변에 전류를 흘리니 자석이 회전하는 운동을 한 것이었습니다.이런 실험으로 에르스텟은 자침에 작용하는 힘의 양상이 정전 기력이나 만유 인력과 다른 것을 알았습니다.바늘이 회전했다는 사실은 두 질량이나 두 전하 사이에 작용하는 단순한 인력과 척력으로 설명하기가 어려웠습니다.그것은 전류에서 발생한 회전력이 영향을 미친다는 것을 시사했습니다.또 컴퍼스의 바늘이 전하에 의해서 영향을 받는 것은 없어 그 회전이 자기적인 효과임이 밝혀졌습니다.이로써 홀스 티드는 전선을 통해서 흐르는 전류가 자기를 발생시킨다는 결론에 이르렀습니다.울스텟도의 발견은 오늘 같은 전자기학이 형성되는 출발점으로서 기능했습니다.1820년 비오(Jean-Baptiste Biot)와 사바ー루(Félix Savart)는 주어진 전류가 생성하는 자기장이 전류에 수직으로 전류의 거리의 제곱에 반비례한다는 비오-서버 내용의 법칙을 알아냈어요.이어 1822년에는 앤 페루(André-Marie Amp̀ re)가 전류에 의해서 형성된 자기장으로 단위 자극이 움직일 때에 필요한 일의 양은 단위 자극의 경로를 통과하는 전류의 합에 비례한다는 안 페루의 법칙을 알아냈어요.또 앙페르는 울스텟도이 발견된 현상은 움직이는 전기, 즉 전류에 의해서만 발생하는 현상으로 규정하고 기존의 전기를 세우고 있는 전기를 연구하는 정전기학에서 전류에 의한 현상을 연구하는 학문을 전기 동력학에 분류했습니다.*앙페르의 오른손 법칙:엄지 손가락을 전류 방향에 일치시키면 나머지 손가락이 감싸는 방향으로 자기장이 형성된다.전자기학을 완성하려면 영국의 과학자들의 기여가 컸지만, 패러데이는 울스텟도과는 반대로 “자장을 이용하고 전류를 만들 수 있을 것 아닌가?”라고 생각했습니다.결국 그는 6년간 꾸준한 실험을 바탕으로 1831년에 전자기 유도 현상을 발견할 수 있었습니다.이어 1864년에는 맥스웰(James Maxwell)이 “전자기 현상에 대한 역학적 이론”을 발표하고 전자기 현상을 설명하기 위한 일련의 방정식을 제시했습니다.맥스웰의 전자기학은 독일의 과학자인 헤르츠(Heinrich Hertz)가 1887~1888년에 전기 스파크를 이용하여 전자파를 발견하는 실험에 성공하면서 널리 받아들여지기 시작했습니다.이처럼 에르스텟의 우연한 발견이 전자기학이라는 학문을 본격 태동되고, 현재 우리가 쓰는 전기와 전자기파의 발명과 발견을 통한 현대 문명을 촉발시켰습니다.볼타가 전류를 흘릴 수 있는 전지를 만들고, 울스텟도이 그것에서 놀던 곳, 그야말로 우연히 전선 주변에서 자기장이 발생하는 것을 발견한 것입니다.모두 이렇게 이어지고 있습니다.그리고 울스텟도은 칸트 철학에 관심이 많았는데 칸트가 수학, 물리학 같은 과학의 학문적 지위를 끌어올린 것과 관련이 있습니다.칸트 이전은 수학, 물리학이 진리를 담고 있지 않다고 생각하고 있었습니다.예컨대 1+1=2란 무슨 새로운 지식 없이 동어 반복에 불과하다고 생각했습니다.2이라는 것이 1을 2회 더한 것이므로, 등호를 중심으로 좌변과 우변이 동어 반복이라는 것입니다.수학, 물리학 같은 선험 명제가 어떻게 지식을 담은 종합 명제에 되느냐를 칸트가 논리적으로 정리함으로써 과학의 위상을 종교와 분리시키고 진리 탐구의 영역으로서 확립시킴으로써 과학자가 안심하고 연구할 환경을 만들었습니다.뉴턴에서 시작된 물리학을 칸트가 순수 이성 비판하면서 종교로부터 독립시키고 진리를 탐구하는 학문의 영역으로 승격시킴으로써 과학이 폭발적으로 발달하게 된 계기를 마련한 것입니다.그래서 칸트가 위대한 것입니다.울스텟도은 그러한 칸트를 존경하고 과학에 대한 신념을 갖게 됐습니다.프랑스 혁명의 여파로 과학에 대한 헌신과 지지는 프랑스의 과학자들에게 많은 기회를 제공하고 그 결과 파리는 수학과 응용 수학 실험 물리학의 중심이 되었습니다.1785년 프랑스의 물리학자 복제는 그가 고안한 비틀림 저울을 이용하고 쿨롱의 법칙을 발견하고 1800년 이탈리아 물리학자인 볼타가 전지를 발명하자, 볼타 전지에 매료된 나폴레옹은 볼타를 초청해서 강의를 듣거나 1820년 장·바디 파업·바이는 전류의 자기 작용에 대한 비오·사발 법칙을 발표했습니다.그 해 덴마크의 물리학자인 울스텟도은 전류가 자기장을 만드는 것을 발표하고 파리에서 증명하고 보였습니다.올스텟도의 발견은 과학계에 돌풍을 일으키며 다른 과학자들에게 자극을 줬지만 당시의 과학자들은 전기와 나는 같은 힘일 것으로 추측했지만”전류가 흐르는 도선에 발생하는 힘의 규칙을 발견”앙페르(혹은 암페어)은 19세기 전자기학의 초석을 놓은 프랑스의 물리학자로 전류가 흐르는 두 도선 사이에 서로 끌어당기는 인력과 밀어내는 척력이 작용한다는 사실을 처음 발견하고 이 도선 사이에 작용하는 힘을 수학적으로 정리했습니다.에르스텟의 발견 후 과학자들은 앞다투어 에르스텟의 발견을 실험하기 시작했습니다.뉴턴에 의하면, 물체 사이에 존재하는 인력과 척력은 항상 일직선상에 존재한다고 말했지만 이 원리는 전기와 자기에 적용되지 않는 것 같았어요.이 힘은 전류 가로 축으로 작용할 전선 주변의 원형으로 보이며 호스텟도을 비롯한 과학자들은 궁금했어요.앙페르의 오른나사 법칙앙페르의 오른나사 법칙패러데이의 전자기유도”전류에 의해서 자력이 발생한다면 역으로 자력으로 전기를 만들 수 있을 것 아닌가?”1831년 패러데이(영국)는 『 전자기 유도 법칙 』을 발표했습니다.마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791–1867)마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791–1867)전자기학을 접목한 맥스웰”전기력과 자기력은 같은 힘으로 빛도 전자기파의 일종이다”1865년 맥스웰(영국):”맥스웰 방정식”발표 맥스웰은 현대 인류 문명이 누리는 거의 모든 기술의 근간인 전자기학을 확립한 위대한 물리학자로 평가되는 인물입니다.맥스웰은 5년 이상 동안 정리하는 작업을 통해서 전자기를 표현하는 식을 방정식에 정리했습니다.맥스웰 방정식은 이론의 처음부터 끝까지 맥스웰이 만든 것은 아닙니다.전기력을 기술하는데 성공한 쿨롱, 장(field)의 개념을 만들어 낸 패러데이, 회로 법칙의 앙페르 및 기타 많은 사람들의 연구 성과가 바탕이 되어서 나온 결과입니다.맥스웰 방정식의 역할은 그동안 별개의 대상이었던 전기장과 자기장의 통합에 있습니다.첫번째 맥스웰 방정식은 8개의 방정식이었지만, 올리버, 헤비 사이드(Oliver Heaviside)이 4개의 방정식에 정리한 이하의 방식이 오늘까지 사용되고 있습니다.”맥스웰 방정식”은 전자기 법칙을 정리했다는 뜻이 있지만 한가지 큰 뜻이 있지만 그것은 전자기파의 존재를 예측했다는 것이다.맥스웰은 완전히 수학적 방법만으로 전자파의 존재를 예측하면서 속도를 요구했지만, 바로 299,792,458m/s였습니다.즉, 빛의 속도와 같은 것이었습니다.이에 따른 빛도 전자파의 일종으로 밝혀졌습니다.맥스웰 방정식(Maxwell’s equations)는 전계와 자기장의 관계를 기술하는 4개의 방정식으로 제임스·맥스웰이 처음 정리했습니다.맥스웰 방정식은 전기장과 자기장을 통합하고 빛이 전자기적 현상임을 밝힌 데 이어 아인슈타인의 유명한 상대성 이론의 토대가 되었습니다.실험적으로 이루어진 전자기학을 이용하고 맥스웰은 1864년 33세로 조선 고종 시대에 전자기장에 대한 일반적인 방정식인 맥스웰 방정식을 런던 왕립 학회의 발표에서 제안하며 이 제안을 바탕으로 1865년 맥스웰 방정식에 대한 논문이 발표되었습니다.1865년 논문에서 맥스웰은 전자기장에 대한 파동 방정식(파도, wave equation)을 제안했지만, 이 파동 방정식으로 빛도 전자파의 일종이라고 주장합니다.전기와 자기를 수학적으로 이해하기 위해서 노력하던 맥스웰이 24세로 30세 때 논문을 차례로 발표하고 오랜 고민을 하면서 이룬 성과이며 원래 맥스웰 방정식은 20개의 변수로 구성되었으나, 1884년 헤비 사이드 Oliver Heaviside(1850– 1925)기여에서 4개의 방정식에 쉽게 정리되었습니다.맥스웰 방정식의 기본적인 내용은 다음과 같습니다.”전기력과 자기력은 같은 힘으로 빛도 전자기파의 일종이다”1865년 맥스웰(영국):”맥스웰 방정식”발표 맥스웰은 현대 인류 문명이 누리는 거의 모든 기술의 근간인 전자기학을 확립한 위대한 물리학자로 평가되는 인물입니다.맥스웰은 5년 이상 동안 정리하는 작업을 통해서 전자기를 표현하는 식을 방정식에 정리했습니다.맥스웰 방정식은 이론의 처음부터 끝까지 맥스웰이 만든 것은 아닙니다.전기력을 기술하는데 성공한 쿨롱, 장(field)의 개념을 만들어 낸 패러데이, 회로 법칙의 앙페르 및 기타 많은 사람들의 연구 성과가 바탕이 되어서 나온 결과입니다.맥스웰 방정식의 역할은 그동안 별개의 대상이었던 전기장과 자기장의 통합에 있습니다.첫번째 맥스웰 방정식은 8개의 방정식이었지만, 올리버, 헤비 사이드(Oliver Heaviside)이 4개의 방정식에 정리한 이하의 방식이 오늘까지 사용되고 있습니다.”맥스웰 방정식”은 전자기 법칙을 정리했다는 뜻이 있지만 한가지 큰 뜻이 있지만 그것은 전자기파의 존재를 예측했다는 것이다.맥스웰은 완전히 수학적 방법만으로 전자파의 존재를 예측하면서 속도를 요구했지만, 바로 299,792,458m/s였습니다.즉, 빛의 속도와 같은 것이었습니다.이에 따른 빛도 전자파의 일종으로 밝혀졌습니다.맥스웰 방정식(Maxwell’s equations)는 전계와 자기장의 관계를 기술하는 4개의 방정식으로 제임스·맥스웰이 처음 정리했습니다.맥스웰 방정식은 전기장과 자기장을 통합하고 빛이 전자기적 현상임을 밝힌 데 이어 아인슈타인의 유명한 상대성 이론의 토대가 되었습니다.실험적으로 이루어진 전자기학을 이용하고 맥스웰은 1864년 33세로 조선 고종 시대에 전자기장에 대한 일반적인 방정식인 맥스웰 방정식을 런던 왕립 학회의 발표에서 제안하며 이 제안을 바탕으로 1865년 맥스웰 방정식에 대한 논문이 발표되었습니다.1865년 논문에서 맥스웰은 전자기장에 대한 파동 방정식(파도, wave equation)을 제안했지만, 이 파동 방정식으로 빛도 전자파의 일종이라고 주장합니다.전기와 자기를 수학적으로 이해하기 위해서 노력하던 맥스웰이 24세로 30세 때 논문을 차례로 발표하고 오랜 고민을 하면서 이룬 성과이며 원래 맥스웰 방정식은 20개의 변수로 구성되었으나, 1884년 헤비 사이드 Oliver Heaviside(1850– 1925)기여에서 4개의 방정식에 쉽게 정리되었습니다.맥스웰 방정식의 기본적인 내용은 다음과 같습니다.전자파의 존재를 증명한 헤르츠1888년 헤르츠(독일):”전자파”의 존재 증명 31세의 헤르츠는 1888년에 전자파의 존재를 확인하는 실험에 성공했어요.그의 연구는 우연의 발견부터 시작이었지만 헤르츠는 카를스루에 대학의 물리학과 지하실에 보관되던 한쌍의 라이스 코일(Reiss Coil)을 가지고 실험을 하다가 하나의 코일에서 스파크(spark)방전이 일어날 때 다른 코일에서도 거의 동시에 스파크 방전이 일어난다는 것을 발견했습니다.그는 전기 에너지가 약간의 소리와 빛에서 모두 변함 없이 전자파 방사되었다라고 생각하고 실험을 거듭하며 드디어 전자파 발생 장치에서 방출된 전자파를 검출하는데 성공했습니다.헤르츠 실험에서의 송신 및 수신 안테나헤르츠 실험에서의 송신 및 수신 안테나헤르츠 실험은 처음에 전자파를 인공적으로 발생시키고 그렇게 발생한 전자파를 검출한 것에 큰 의의가 있습니다.이 실험을 통해서 인류가 드디어 전자파를 사용할 수 있는 길을 열었는데 정작 헤르츠는 그 중요성을 모르고 37세의 나이로 요절했습니다.그런데 이런 헤르츠의 발견은 공간을 통해서 전자파로 신호를 보낼 가능성을 보이자 이탈리아의 엔지니어 마르코니가 전자파를 온몸으로 이용하는 것을 생각하고 전자파의 송수신 거리를 늘리는 데 주력했다 결국 3.5km의 송수신에 성공하고 1897년 자신의 발명에 대해서 특허를 신청하면서 전자파가 발견되어 10년도 지나기 전에 무선 시대가 열렸습니다.헤르츠는 37세로 요절했는데도 그의 위대한 업적을 기리고 전파를 포함한 모든 파장의 주파수 단위를 헤르츠(Hz)로 명명하게 됩니다.참고로 파동의 종류는 대체로 다음과 같습니다.1)초음파 2)전자파 3)중력파 4)지진파 5)수면파(물결)6)막 진동 7)충격파의 일상에서 잘 느낄 수 있는 대표적인 물결은 음파입니다.사람이 들을 수 있는 음파는 18~24000Hz입니다.통상 20000Hz이상의 음파를 초음파는 초음파는 인간의 귀로는 들을 수가 없어요.헤르츠는 1초당 몇번 진동하는가를 의미합니다.1Hz는 1초에 1번 진동한다는 데 1000Hz는 1초에 1000번 진동한다는 것입니다.파동 속에서 가장 중요한 것이 전자파지만 전자파는 전자와 원자 핵 에너지가 겹치자 전자와 원자 핵이 진동하게 되고, 이 진동의 결과로 파동이 발생합니다.이것이 전자파입니다.모든 전자파 속도는 2.99792×10^10cm/s입니다.즉, 대략 초속 30만킬로입니다.빛의 속도와 같아서 빛도 전자파라는 것을 알았습니다.즉, 전자나 원자 핵에 가해지는 에너지의 크기에 의해서 다양한 종류의 전자파가 방사되지만, 빛은 그 중 하나의 전자파와 하는 것입니다.전자파는 파장 또는 주파수에 의해서 대충 다음과 같이 분류됩니다.감마선:50 fm/6×10^21 Hz/25 MeV X 선:50 pm/6×10^18 Hz/25 keV자외선:100nm/3×10^15 Hz/12 eV가시 광선:550nm/5×10^14 Hz/2eV적외선/원적외선:10μm/3×10^13 Hz/120 meV전파-마이크로파:1cm/3×10^10Hz/120μ eV전파-라디오파:1km/3mmeV/3meV무선파, 특히 3~10~5~3~3~3~3.Very Low Frequency(초장파)VLF 3~30 kHz 10~100 kmLow Frequency(장파)LF 30~300 kHz 1~10 kmMedium Frequency(중파)MF 300~3000 kHz 100~1000 mHigh Frequency(단파)HF3~30 MHz 10~100 mVery High Frequency(초단파)VHF 30~300 MHz 1~10 mUltra High Frequency(극초단파)UHF 300~3000 MHz 0.1~1mSuper High Frequency(마이크로파-초고 주파)SHF 3~30GHz 10~100mmExtremely High Frequency(마이크로파-밀리파)EHF30~300GHz 1~10mmTremendously High Frequency(마이크로파-서브 밀리 미터파)THF 300~3000GHz 0.1~1mm물결 파장이나 진동수에 맞는 수신 장치가 있으면 그 파동을 인식하게 되지만 사람의 눈은 빛의 빛의 가시 광선을 볼 수 있습니다.주로 직관적으로 이해하면, 감마선은 1초에 10회(100지름의 1000배)진동하고 X레이는 1초에 100경회, 자외선은 1초에 1000회, 가시 광선은 1초에 100회, 적외선은 1초에 10회 마이크로파는 1초에 100억회 라디오파는 1초에 10만번 진동하는 전자파입니다.이런 다양한 전자파는 파장과 진동수에 의해서 회절, 간섭, 반사, 굴절 등의 다양한 특성을 나타내는데 그 특성을 이용하고 전자파에 신호를 싣고 다양한 분야의 통신에 활용하는 것입니다.헤르츠는 1857년 2월 독일 함부르크에서 3남매의 장남이고 아버지는 변호사시의 상원 의원, 어머니는 의사 집의 딸이었습니다.헤르츠는 어려서부터 과학과 언어에 재능을 보이는 집의 지하실에 실험실을 만들고 화학과 물리 실험을 했대요.헤르츠는 킴나지움에 입학하고 그리스와 아랍어를 배우고 일등으로 졸업했으며 이후 뮌헨 대학에 입학하고 럭셔리 랜즈, 라플라스, 푸아송 외에 수학자들의 논문을 읽고 과학 실험을 하고 실험과 이론 공부를 갖추고 있었습니다.23세에 박사 학위를 취득했고 당시 유명했던 헬무헬츠 교수 밑에서 연구를 했습니다.26세로 용골 대학 물리학과 조교수로 28세로 헤르 대학의 정교수가 되었습니다.헤르츠는 여기에서 연구하면서 31나이로(1888년)전자파의 존재를 확인하는 실험에 성공했어요.헤르츠 이전에 맥스웰이 이미 전자파의 존재를 예언하고, 헤르츠의 지도 교수인 헬름 홀츠는 라이덴 병의 불꽃 방전이 높은 주파수의 진동임을 주장했습니다.헤르츠는 이를 증명하기 위해서 가설을 증명할 수 있는 실험 장치를 고안하게 됩니다.1887년 헤르츠는 맥스웰의 전자기파에 대한 가설에 대한 실험을 실시하기 위해서 LC회로를 직접 제작했지만 전자기 교란(electromagnetic disturbance)가 전자기파를 만든다는 맥스웰의 가설이 맞다면 전자기파는 전송된다고 생각하며 이는 LC회로로부터 조금 떨어진 곳에 수신 장치를 만들었다.이 실험에서 전자기와 빛과 연결인 전기 진동의 존재와 전달을 증명함으로써 맥스웰의 가설이 진실임을 밝혔습니다.이 실험 과정에서 전자파의 존재를 증명하고 그 성질이 간섭, 회절, 굴절 등이 나타나기를 밝히면서 처음으로 라디오파를 송수신하는 데 성공했지요.그 외에도 다양한[Summary]전자기학이 발전하고 온 과정을 정리하면 다음과 같습니다.탈레스:정전기의 인식, 호박을 문지르면 물체가 붙은 그리스 마그네시아:자철광 발견 고대 중국:자철광 조각에서 나침반 발명 길버트:자기학의 아버지 처음의 과학자, 정전기와 자기의 구분 데카르트:직각 좌표계 고안, 기하학과 대수학의 통합 뉴턴:미적분 정립, 움직이는 물리 현상의 기술 그레이:반도체 부도체의 발견 듀페:자기학의 성질 규명( 밀어내기도 하는 성질)뭇셍 브룩:정전기 저장(라이덴 병)프랭클린:자석처럼 전기도 음전기 두 전기가 있다.가르 론 현상을 측정하는 전류를 발견하고쿨롱의 법칙 볼타:처음에 전류를 발생시킨 볼타 전지를 발명웨이 루스텟도:전선 주변에 자기장이 형성되는 것을 발견앙페르:도선에서 유도된 자기장의 힘을 수식화 패러데이:전자기 유도 성공, 발전기의 발명맥스웰:맥스웰 방정식으로 전자기학의 통합 헤르츠:전자파의 인위적 생성과 검출 성공 같은 여정을 거쳐서 발전기 모터, 전지, 전구, 방송, 통신 등 오늘 우리가 누리는 전기와 무선 통신 관련 문명이 탄생했습니다.거의 2400년에 걸친 길이었습니다.오랫동안 자석 사이에 밀고 끌자기 현상과 전기와 관계를 몰랐다.공중을 가르며 쇠를 들어올리는 자석이 겨울철에 따끔하기로 마음 상하게 하는 정전기와 도대체 무슨 관계인가?후에 그들 사이의 관계가 드러나기 시작했을 때도 빛이 끼어들 줄은 몰랐어요.우리의 인생의 원천인 태양에서 나오고 세상을 밝게 비추어 주는 빛은 전기와 자기와 너무 다르게 보였습니다.18세기 말까지 전기장은 전하께서 만들어 자장은 자석이 만든다고 믿어지고 있었습니다.그 가운데 1803년 달스텟도이 우연히 전류의 주위에 자기장이 생긴 것을 나침반으로 발견했습니다.패러데이는 전류는 전하가 움직이는 것이어서 움직이는 전하가 자기장을 만든다면 움직이는 자석이 전장을 만드는 것 아니냐는 의문이 있어서 확인하고 보고 싶었는데, 전장이 생겨도 그것이 생겼는지 여부를 조사할 방법이 없었어요.자기장이 생긴 것은 나침반으로 바로 알지만 전장이 된 것을 당장 아는 장치가 없었습니다.그래서 생각한 것이 폐쇄 회로입니다.폐쇄 회로에 전류가 흐르기는, 반드시 전지를 접속할 필요가 있습니다.그런데 전지의 역학에 의해서, 폐쇄 회로에 전기장이 생기게 됩니다.그래서 패러데이는 전지를 연결하지 않는 폐쇄 회로의 옆에서 자석을 흔들며 그 폐쇄 회로에 전류가 흐르는지를 매우 정밀한 전류계(검류계)으로 측정한 것입니다.그래서 패러데이의 법칙으로 코일에 자석을 움직였다는 것은 움직이는 자석이 만든 전계를 측정하기 위한 것이며, 코일이 반드시 필요한 것은 아닙니다.어쨌든 패러데이의 법칙으로 움직이는 자석이 전장을 만든다는 것을 확인했지만 나중에 알아보면 자석을 움직일 주위에 자기장을 변화시키고 주는 것이었습니다.그래서 움직이는 자석이 전장을 만든 진짜 이유는 변화하는 자기장이 전기장을 만든 것이었습니다.그리고 울스텟도이 발견한 것도 변화하는 전기장이 만든 자기장이었군요.그래서 이렇게 정리됩니다.전장을 만드는 것은 전하 그리고 변화하는 자기장입니다.자기장을 만드는 것은 움직이는 전하(전류)그리고 변화할 전장입니다.이런 일을 모두 정리한 것이 맥스웰 방정식입니다.그리고 맥스웰 방정식에서 맥스웰은 전자파가 존재한다는 것을 이론적으로 예언합니다.그것을 헤르츠가 실험적으로 증명하고 다양한 전자파 특성을 파악하고 전자파에 신호를 올리는 방법과 그것을 수신하는 방법을 개발하고 현재의 무선 통신을 이룬 것입니다 그런데 이 과정을 보면 위대한 과학자들이 있고 그들이 보이고 준 여러 역량 특성이 있었습니다.이를 잘 관찰, 분석하고 응용하면 좋겠습니다.그들이 보이고 준 역량의 특성은 다음과 같이 요약됩니다.ㅇ탈레스의 관찰과 기록ㅇ길버트의 호기심과 관찰과 끝없는 질문ㅇ데카르트의 공간 시각화 지능, 추상화 지능ㅇ뉴턴의 예측ㅇ그레이 및 듀페의 관찰과 축적ㅇ뭇셍 부르크의 몰입과 체류ㅇ프랭클린의 관찰, 기록, 상상ㅇ 갈 버니의 관찰, 호기심ㅇㅇ쿨롱의 몰입 확대 O볼타의 몰입과 끈기 O외 루스텟도의 관찰, 호기심O안 페라ー데ー의 종합적인 몰입력, 그리고 일반적인 몰입도 그리고 일반적인 몰입도, 그리고 천재적인 몰입도가 압도적인 몰입도이다.보통 사람들은 모르는 뭔가 숨겨진 비밀이 아니라는 것입니다.또 하나, 전자기학의 발전 과정을 보면 수많은 우연히 만날 수 있습니다.탈레스가 우연히 호박의 정전기 현상을 발견하고 자철광이 우연히 발견되어 뭇셍 브룩이 우연히 라이덴병을 발명했고, 갈바니가 우연히 개구리의 근육의 움직임을 발견하고 호스텟도이 우연히 도선 주변의 나침반의 움직임을 찾아내헬스의 우연 전자파의 존재를 확인했습니다.그런데 잘 보면 이런 우연이 그야말로 우연?그것은 다릅니다.일종의 확률이지만, 그런 우연이 발생할 확률이 높은 상황, 환경을 만들어 상당 기간 지속되면서 그런 우연이 확률적으로 발생합니다.전혀 무관한 사람에게는 우연이 원래 발생하지 않습니다.어떤 일을 꾸준히 계속 그 일과 관련한 환경이 오랫동안 형성되면 그 일과 관련된 어떤 우연이 출현하게 됩니다.이때 준비된 사람은 그 기막힌 우연의 순간을 잡고 기회에 하는 거고, 그렇지 못한 사람은 우연이 발생한 것인지 기회가 있었는지조차 모른 채 지나 버립니다.평소 꾸준한 역량을 개발한 사람만이 자신 앞에 닥친 기회를 잡고 자신의 인생을 보다 가치 있게 하고, 세상에 빛을 남길 수 있을 것입니다.끝.