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21세기의 일상을 가능하게 한 두 과학자의 아름다운 발견

매일 보는 TV, 음식을 보관해주는 냉장고, 어둠을 밝히는 조명, 손에서 놓지 못하는 스마트 폰까지 우리 일상에서 전기는 중요한 존재이다. 세상을 밝혀주는 전기의 발명을 떠올리면 대부분 토머스 에디슨을 생각하지만 그보다 앞선 시대의 두 과학자 있다. 바로 전자기장의 존재를 발견하고 이를 실험한 패러데이와 이를 이론화하여 응용할 수 있게끔 한 맥스웰이다.

『패러데이와 맥스웰』은 21세기의 일상을 가능하게 한 두 천재의 삶과 연구를 재조명한다. 패러데이와 맥스웰이 새로운 시대의 과학자들에게 어떤 영향을 미쳤고, 그들과 어떻게 연결되는지 간결하고 명확하게 설명한다. 또한 과학사와 더불어 개인적인 삶까지도 현실감 있게 그려낸다. 두 과학자가 전자기장을 발견하고 장이론을 세우면서 어떤 실험을 거쳤는지 세세하게 설명하고 있으므로 과학에 지식이 없는 일반 독자도 다른 과학책보다 이해하기 쉽다.

21세기 과학기술은 패러데이와 맥스웰에서 시작되었다!
독학으로 연구한 실험물리학자 패러데이와 천재 이론물리학자 맥스웰의 아름다운 발견

“두 사람과 그 시대에 대한 매혹적이고… 생생한 이야기이자, 과학적인 배경과 그들의 업적의 중요성에 대한 뛰어난 설명이다.” -Kirkus Reviews

“과학사와 생생한 전기가 잘 혼합되었다. …이해하기 쉬운 글과 두 사람의 인격에 대한 감각이 한 시대를 정의하고 현대물리학으로 향하게 한 두 과학자를 흥미롭게 살펴보게 한다.” -Publishers Weekly

“전기를 좋아하는 사람뿐만 아니라 과학기술에 관심을 지닌 사람이라면… ‘세상을 바꾸려 노력한, 겸손하고 온화한 두 사람’에 대한 이야기를 즐겁게 읽을 것이다.” -Library Journal

▼ 21세기의 일상을 가능하게 한 두 과학자
오늘날, 전기 없이는 일상생활이 불가능하다. 매일같이 보는 TV, 어둠을 밝혀주는 조명, 음식을 보관해주는 냉장고와 같은 생활필수품부터 일이나 학업에 필수적인 컴퓨터를 비롯하여 한시도 손에서 놓지 못하는 스마트폰까지, 우리의 하루는 전기, 전자제품에 의해 굴러간다. 편의와 편리를 돕는 모든 것이 전기 없이는 돌아가지 않는다.
대개 세상을 밝혀주는 전기의 발명이라고 하면 토머스 에디슨을 떠올리지만, 에디슨은 전구를 발명했을 뿐이고 그가 전구를 발명할 수 있었던 것도 그보다 앞선 시대의 두 천재 덕분이다. 전자기장의 존재를 발견하고 이를 실험한 패러데이와 이를 이론화하여 응용할 수 있게끔 한 맥스웰, 이 두 사람은 전자기장을 발견하고 확립함으로써 과학자들이 뉴턴의 세계관에서 벗어날 수 있는 기술적, 이론적 돌파구를 마련해주었다. 그로 인해 아인슈타인은 상대성이론을 세웠고, 20세기 들어 과학기술은 놀랍도록 발전할 수 있었다.
패러데이는 정식 교육을 받지 못했지만 독학으로 사회적 지위를 극복했고, 수학을 모른다는 한계가 있었지만 놀라운 실험과 측정, 상상력을 통해 명성을 얻었다. 한편 어릴 적부터 천재적 재능을 빛낸 맥스웰은 패러데이의 발견을 수학적인 언어로 풀어냈고 장이론을 창안하여 20세기 물리학의 기반을 마련했다. 그들의 뒤를 이은 맥스웰주의자들과 여러 과학자들은 현대의 이론을 만들어내고 이를 응용하여 새로운 시대를 열었다.
이 책은 이러한 현재의 문명이 커다란 빚을 지고 있는, 다른 듯 닮아 있는 두 천재의 삶과 연구를 재조명한다.

▼ 18세기 영국과 과학을 그려내다
우리가 누리고 배우는 과학기술은 서양에서 비롯된 것이므로, 현재의 과학을 이해하려면 과학이 태동되었던 시대와 역사를 알아야 한다. 이 책은 18세기 영국의 시대적 상황, 두 천재의 인간적인 면까지 생생하게 묘사하고 있어, 그들의 연구와 노력, 겸손함이 얼마나 놀라운 것인지 확인하게 된다. 이 때문에 이 책은 과학에 관심이 있는 일반 독자도 어렵지 않게 접할 수 있으며, 그들의 이론만 알고 그 배경은 모르던 과학도들에게도 유익하다.
상반된 환경에서 태어나 자라난 두 사람 -오로지 독학으로 실험을 통해 업적을 세운 실험물리학자 패러데이와 천재적인 능력을 지닌 이론물리학자 맥스웰- 은 전혀 공통점이 없어 보인다. 그러나 두 인물이 서로를 발견했기에 전자기장이라는 혁신적인 이론이 성립되었고, 현대 물리학은 이론적인 기초를 얻을 수 있었다. 그 과정이 기술과 이론, 실험에 관한 설명만이 아니라 전체적인 시대 상황까지 두루 다루고 있어, 과학사에 대해 인문학적으로 이해할 수 있다는 것은 이 책의 가장 큰 장점이다.

▼ 인간적인, 너무도 인격적인 과학자들의 이야기
이 책이 더욱 생생하게 느껴지는 이유는 물리학과 공학에 전문 지식을 갖춘 과학 작가들이 썼기 때문이다. 그들은 패러데이와 맥스웰의 과학적 업적을 명확하게 설명하고 있을 뿐만 아니라, 과학사와 더불어 개인적인 삶까지도 현실감 있게 그려낸다. 두 과학자가 전자기장을 발견하고 장이론을 세우면서 어떤 실험을 거쳤는지 세세하게 설명하고 있으므로 과학에 지식이 없는 일반 독자도 다른 과학책보다 이해하기 쉽다.
그러나 과학적 업적에 대한 부분을 건너뛰고 그들의 전기만을 읽어도 흥미롭다. 물론 과학자로서의 업적은 훌륭하지만, 그들의 성품과 삶에서도 배울 점은 너무도 많기 때문이다. 패러데이는 겸손하고 성실하며 어떤 역경에도 굴하지 않고 과학과 실험에 온 힘을 쏟았다. 그리고 나라를 위하는 마음으로 자신의 작업과는 상관없는 일에도 최선을 다했다. 연구와 일에 시달린 나머지 때로는 요양이 필요했지만, 힘이 닿는 한 그는 최선을 다해 연구하고 실험했다. 한편 맥스웰은 항상 유머를 잃지 않았고 온화했으며, 여러 가지 일을 하면서도 주변 사람들에 대한 배려를 잊지 않았고 배울 기회가 없는 사람에게 배움을 베풀 줄 아는 사람이었다. 그 또한 시련과 아픔을 겪었지만, 이를 극복하고 꾸준하고 성실하게 연구를 이어갔다. 고난과 시련에도 굴하지 않았으며, 천재적인 과학자이면서도 훌륭한 인격을 지녔기에 그들의 업적이 더욱 빛나는 것은 아닐까.

▼ 맥스웰주의자들과 새로운 시대의 과학자들
흔히 아인슈타인의 상대성이론과 특수상대성이론에 대해 이야기하지만, 사실 그것이 무엇인지 잘 모르는 사람이 많다. 그래서 광고나 TV에서 본 “E=mc2”이라는 식은 친숙하게 느끼지만, 어디에서 비롯되었는지, 과연 어떤 의미를 지니는지는 명확히 알지 못한다.
그러나 이 책에서는 패러데이와 맥스웰이 새로운 시대의 과학자들에게 어떤 영향을 미쳤고, 그들과 어떻게 연결되는지 간결하고 명확하게 설명한다. 물론 어려운 수식도 등장하지만, 일반 독자들도 이해할 수 있을 정도의 설명이라 지루하거나 따분하지 않다.
패러데이와 맥스웰로부터 시작된 전자기장은 현대의 푸앵카레와 아인슈타인과 같은 훌륭한 과학자들을 낳았고, 그들을 거쳐 힉스 장이라는 거대한 통합 이론이 등장하기에 이르렀다. 어쩌면 우리는 모든 힘의 통합과 그 원리를 실험으로 입증하게 될지도 모른다. 물론 시간은 걸리겠지만, 곧 그 결과를 보게 될 것이다.
어쩌면 앞으로 전혀 다른 패러다임의 변화를 맞이할 수도 있다. 그러나 패러데이와 맥스웰은 이미 뉴턴적인 세계관과 패러다임에 도전하여 이를 넘어서게 했다. 진리를 추구하고 연구에 천착한 그들의 삶은 앞으로 우리가 나아가야 할 길을 보여주는 훌륭한 본보기다.

1. 수습생
2. 화학
3. 역사
4. 원을 그리는 힘
5. 자기 유도
6. 어렴풋한 추측의 그림자
7. 패러데이의 마지막 나날들
8. 이건 무슨 원리예요?
9. 사회와 훈련
10. 가상의 유체
11. 농담이 통하지 않는 곳
12. 빛의 속도
13. 희대의 역작
14. 전원의 삶
15. 캐번디시
16. 맥스웰주의자들
17. 새로운 시대

그림 출처
이 책의 주
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위와 같은 것에 대해 듣거나 읽기만 해서는 패러데이는 결코 만족할 수 없었다. 다른 사람의 실험을 평가할 때면 그는 같은 실험을 직접 반복하거나 심지어 확장시켜본 뒤에야 비로소 만족했다. 이런 방식으로 어떤 아이디어를 자기 것으로 만드는 습관은 평생 동안 그를 따라다녔다. 그는 전기분해 실험을 일생 동안 다양한 구성으로 무수하게 반복했지만, 이 무렵 패러데이의 목적은 이 새로운 현상을 스스로 만족할 수 있을 만큼 재현해보는 것이었다. - 22쪽

패러데이 시대의 사람들에게 중력이 역선을 통해 작용한다거나, 모종의 방식으로 전기나 자기와 연결되어 있다는 식의 생각은 해괴해 보였다. 그들이 생각하는 중력은 뉴턴의 법칙에 따라 원격에서 순간적으로 작용하는 직선력이었다. 전기와 자기는 유체였고, 빛은 신비로운 물질의 진동이었다. 이 모든 것은 우아한 수학으로 설명될 수 있었지만, 수학 문맹자가 내놓은 생각을 진지하게 수용한다면 물리 세계에 대한 기존 법칙을 전부 뒤엎을 수 도 있었다. 오늘날 되돌아보면 역사적인 순간이었음에 틀림없다. 대범한 이론가 패러데이는 전자기학 이론뿐만 아니라 특수상대성이론, 라디오, 텔레비전을 비롯한 수많은 것을 가져다줄 과학적 변혁의 예고편을 미리 발표하고 있었다. - 138쪽

패러데이는 위대한 발견을 이루었지만, 1850년대에는 그것이 장차 무엇으로 이어질지 전혀 드러나지 않았다. 그는 전기 모터와 발전기의 원리를 제시했고 철심 고리를 통해 현대의 전력 공급 시스템에서 빼놓을 수 없는 장치인 변압기의 원리를 보여주었지만, 이는 아직 별다른 결과물로 이어지지 못했다. 발명가들이 만든 전자기 기기는 대부분 호기심을 만족시키는 수준에 머물렀고 실용성은 희박했다. 결국 이 분야가 열리게 된 것은 1870년대에 하인리히 가이슬러를 비롯한 사람들이 개발한 효율적인 진공 펌프에 의해서였다. 이로 인해 필라멘트 전구의 제작이 가능해졌고, 이는 다시 효율적인 발전기가 요구되는 전력 공급 시스템에의 투자로 이어졌다. 그 후에야 전력망을 통해 작동되는 온갖 목적의 전기 모터를 개발하는 것이 현실적인 사업이 될 수 있었다. 그리고 1800년대 말에 니콜라 테슬라가 고전압 교류 전력 공급 시스템의 이점을 보여주었을 때, 비로소 변압기가 필요해졌다. - 151~152쪽

그러나 맥스웰은 톰슨의 격려와 스스로의 직관으로 패러데이에게 매료되기 시작했다. 그는 진리는 관측된 결과 속에 있다고 믿었으므로, 전기와 자기에 대한 남은 문제를 풀려면 가장 먼저 실험을 통해 발견된 사실들을 탐구해야 한다고 생각했다. 그는 수학적 논의에 달려들기에 앞서 패러데이의 《전기에 대한 실험적 연구》를 전부 읽기로 결심했다. 그는 패러데이의 열린 지성과 진솔함에 단번에 매료되었고, 읽을수록 이 책에 담긴 지적인 힘을 알아보게 되었다. 글렌레어의 임시 실험실에서 수많은 시간을 보낸 맥스웰은 이 위대한 과학자의 실험이 가진 정확성뿐만 아니라 실험에 뒤따르는 추론의 힘과 섬세함의 대단한 가치까지도 이해할 수 있었다. 맥스웰에게 패러데이의 아이디어는 진실의 종소리였다. 패러데이에게서 그는 같은 영혼을 발견했고, 새로운 영감의 원천을 찾아냈다. - 214쪽

그의 시대에는 다른 요청도 많았고, 그중 어떤 것은 기술적 진보의 밑거름이 되었다. 패러데이가 광학 렌즈나 등대와 같은 중요한 국가 프로젝트를 위해 일해 달라는 요청에 응했던 것과 같은 맥락에서, 맥스웰도 전신 산업에 도움을 제공했다. 이 시대 최대의 기술적 도전은 대서양에 제대로 작동하는 해저 전신 케이블을 설치하는 일이었는데, 이 과정에서 나타난 골치 아픈 문제는 각별한 관심을 기울여야 했다. 첫 번째 대서양 해저 케이블은 1858년에 설치되었으나, 몇 주 만에 동작하지 않았다. 회수된 부분을 조사한 결과 케이블의 품질이 너무 나쁘다는 사실이 드러났다. 그래서 윌리엄 톰슨이 투입되어 케이블 생산 공정과 공급에 품질 검사를 도입하는 임무를 지휘했는데, 가장 절박하게 필요한 것은 공급되는 케이블이 기준에 맞는지 검사할 수 있는 전기 저항의 물리적 표준이었다. - 271쪽

맥스웰의 연구의 특징, 아니 그의 삶의 특징은 모든 일을 일정한 속도로 처리하는 것처럼 보였다는 것이다. 그는 절대 서두르는 법이 없었다. 어떻게 그럴 수 있었는지는 모르지만, 그와 캐서린은 오후 시간에는 대부분 공원에 말을 타러 나갔고 집에 찾아오는 온갖 손님들을 대상으로 색 인지에 대한 데이터를 수집하는 일도 계속했다. 맥스웰 부부는 커다란 색 상자를 2층 방 창문에 설치했는데, 길 건너편 주민은 처음에는 관처럼 생긴 이 물건을 보고 깜짝 놀라기도 했다. 또한 맥스웰은 시간을 내어 최신 학술지의 내용도 파악했으며, 학생들에게 유용한 정보가 있으면 전달해주곤 했다. (중략) “맥스웰이 ？