맥스웰 전자기파, 전기와 자석과 빛이 하나로 연결되는 순간

전기, 자석, 빛은 서로 남남이라고 모두가 믿던 시절

자, 상상해 봐요. 교실에서 세 명의 친구가 있는데, 선생님이 "이 셋은 절대 아무 관계도 아닙니다"라고 말한다면? 1800년대 과학자들이 딱 그랬어요. 전기는 전기, 자석은 자석, 빛은 빛. 이 셋은 완전히 다른 과목처럼 따로따로 공부했거든요.

전기는 번개나 정전기처럼 찌릿한 것, 자석은 냉장고에 붙이는 그 자석, 빛은 태양에서 쏟아지는 환한 것. 어떻게 봐도 관련이 없어 보이잖아요? 당시 과학자들도 똑같이 생각했어요. 이 세 가지를 연결하려는 사람은 거의 없었죠.

그런데 1831년, 마이클 패러데이라는 과학자가 이상한 걸 발견해요. 자석을 전선 옆에서 움직이면 전기가 흐른다는 거예요. 엥, 자석이 전기를 만든다고요? 분명히 남남이라면서요? 하지만 패러데이는 수학을 잘 몰랐기 때문에 '왜 그런지'를 공식으로 설명하지 못했어요. 이 미스터리를 풀어줄 천재가 필요했죠.

수학 공식 네 줄로 세상의 비밀 코드를 해독하다

그 천재가 바로 스코틀랜드 출신의 제임스 클러크 맥스웰이에요. 어릴 때부터 "이건 왜 이래?"가 입에 붙어 있던 아이였죠. 겨우 열네 살에 수학 논문을 발표했을 정도니까, 학교 시험 만점 같은 건 레벨이 달랐어요.

맥스웰은 패러데이의 실험 결과를 보고 확신했어요. 전기와 자석은 남남이 아니라 쌍둥이라고요. 그래서 수학이라는 무기를 꺼내 들었어요. 복잡한 실험 결과들을 정리하고 또 정리해서, 마침내 딱 네 줄의 수학 공식으로 압축했어요. 이걸 '맥스웰 방정식'이라고 불러요. 게임으로 치면, 세상의 치트키 코드를 네 줄로 요약한 셈이에요.

그런데 진짜 소름 끼치는 건 이 다음이에요. 맥스웰이 공식을 계산하다 보니, 전기와 자석이 서로 엮이면서 만드는 파동의 속도가 딱 빛의 속도와 같았거든요. 초속 약 30만 킬로미터! 우연의 일치? 맥스웰은 단호하게 말했어요. "빛은 전자기파다." 즉, 빛도 전기와 자석이 손잡고 만들어낸 파도라는 뜻이에요. 전기, 자석, 빛은 남남이 아니라 한 가족이었던 거예요!

눈에 보이지 않는 파도가 세상을 연결하기 시작했다

한 가족이라는 걸 알게 되자, 과학자들은 깜짝 놀랐어요. 만약 빛이 전자기파의 한 종류라면, 우리 눈에 안 보이는 다른 전자기파도 있을 수 있잖아요? 맥스웰이 세상을 떠난 뒤, 독일의 과학자 하인리히 헤르츠가 실험실에서 진짜로 눈에 보이지 않는 전자기파를 만들어 냈어요. 이걸 '전파'라고 불러요.

전파가 발견되면서 세상은 완전히 뒤집혔어요. 이탈리아의 마르코니라는 발명가가 전파를 이용해서 선 없이 멀리까지 메시지를 보내는 데 성공했거든요. 라디오의 탄생이에요! 바다 한가운데 있는 배도, 지구 반대편에 있는 사람도 전파 덕분에 연결될 수 있었어요.

라디오 다음엔 텔레비전, 그다음엔 위성 통신까지. 전부 맥스웰의 공식 네 줄에서 시작된 거예요. 급식 시간에 친구한테 쪽지 한 장 전달하는 것도 어려운데, 맥스웰은 수학 네 줄로 지구 전체가 소통하는 길을 열어버린 셈이죠. 그리고 그 파도는 지금 이 순간에도 여러분의 주머니 속에서 출렁이고 있어요.

지금 네 주머니 속 스마트폰도 그 공식 위에서 돌아간다

스마트폰으로 유튜브 영상을 볼 때, 와이파이에 연결할 때, 친구한테 카톡을 보낼 때. 이 모든 순간에 전자기파가 공기 중을 날아다니고 있어요. 눈에 안 보이지만, 맥스웰이 발견한 그 보이지 않는 파도가 데이터를 실어 나르는 거예요.

블루투스 이어폰으로 음악 듣는 것도, 전자레인지로 급식 후 남은 빵을 데우는 것도, 병원에서 엑스레이 찍는 것도 전부 전자기파예요. 종류만 다를 뿐 전부 맥스웰 방정식이라는 같은 규칙 위에서 작동해요. 마치 피자, 파스타, 리조또가 다 밀가루 반죽에서 시작하는 것처럼요.

맥스웰은 실험실에서 폭발적인 발명을 한 사람이 아니에요. 종이 위에 수학을 쓰면서 우주의 비밀을 풀어낸 사람이에요. 아인슈타인도 자기 방에 맥스웰 사진을 걸어두고 "이 사람 없이는 내 연구도 없었다"고 말했을 정도예요. 오늘 스마트폰을 꺼낼 때 한 번만 떠올려 봐요. 이 안에서 보이지 않는 파도가 출렁이고 있고, 그 파도의 정체를 처음 알아낸 건 200년 전 수학을 사랑한 한 소년이었다는 걸요.