빛의 전자기파 이론 형성과정
오늘날 우리는 빛이 전자기파의 한 형태라는 것을 알고 있습니다. 그런데 빛이 전자기파라는 실험적인 증거가 무엇이냐고 질문받았을 때 자신있게 대답할 수 있는 이는 그렇게 많지 않습니다. 사실 그러한 증거와 관련된 실험을 대학 혹은 대학원 때에 이미 하게 되는데도 그 의미를 모르고 지나치는 경우가 많습니다. 이글에서는 빛을 전자기파로 간주하게 된 이론의 역사적 등장에 대해 간단히 살펴보기로 하겠습니다.
0. 빛의 파동 이론 정립
1800년대 중반에는 빛의 반사, 굴절, 회절, 간섭, 편광 등 빛과 관련된 여러 가지 파동적인 현상들이 실험적으로 발견되거나 측정되어 있었습니다. 이러한 실험적 근거들을 통해 빛이 파동이라는 사실은 거의 정설로 굳어지고 있었습니다. 그러나 여전히 몇 가지 의문은 남아있었습니다. 고전적인 파동이론에 따르면 파동은 한 공간에서 발생한 진동이 매질을 통해 다른 공간으로 전달되는 에너지 전달의 한 형태로 정의됩니다. 그러나 빛이 당시에 일반적으로 이해되던 파동이라면 진동의 주체로서 매질이 존재해야 했는데 그 매질을 발견할 수 없었습니다. 때문에 그 진위에 대한 어느 정도의 의구심은 여전히 남아 있었습니다. 이때 패러데이, 맥스웰 등에 의해 빛의 전자기파 이론이 제안됩니다.
1. 패러데이 효과
1845년 영국의 물리학자 마이클 패러데이에 의해 패러데이 효과라는 것이 발견됩니다. 선편광된 빛이 빛의 진행방향과 나란하게 자기장이 걸린 유전체를 통과할 때 편광면이 진행방향에 대해 회전하는 현상이 발견되었던 것입니다.(아래 그림 참고)
즉 빛의 진행이 자기장에 의해 영향을 받는다는 사실이 밝혀진 것입니다. 이에 패러데이는 빛이 자기적 진동에 의한 파동으로 나타나는 것이 아닌가 하는 제안을 했고 이듬해에 이를 수정하여 전자기적 진동에 의한 파동이 아닌가하는 제안을 하기에 이릅니다.
2. 맥스웰 방정식
패러데이 효과를 접한 제임스 맥스웰은 이론적 연구를 통해 그동안 발견되었던 전기장과 자기장의 성질을 종합하고 암페어의 법칙을 보완하여 맥스웰 방정식을 내놓았습니다. 그리고 이로부터 전자기적 진동이 공간을 통해 전달되는 전자기파의 존재를 예언하게 됩니다. 또, 이때 예언된 전자기파의 속력이 공교롭게도 그동안 측정되었던 빛의 속력과 일치한다는 사실을 발견하였습니다. 여기에 맥스웰은 빛에 대한 전자기파 가설을 이론적으로 뒷받침하게 됩니다.
3. 헤르츠의 전자기파 발생 실험
그리고 하인리히 헤르츠에 의해 실험실 상황에서 라디오 영역에 해당하는 전자기파가 만들어지고 이 라디오파의 반사, 굴절, 회절, 간섭 등의 특성이 확인됩니다.
이를 종합하면 다음과 같은 결론에 이를 수 있습니다.
1. 패러데이 효과로부터 빛이 자기장에 의해 영향을 받는다는 사실을 발견하였다.
2. 맥스웰 방적식으로부터 전자기파의 존재가 예언되며 그 전파 속력은 빛의 속력과 같다.
3. 실험적으로 전자기파를 만드는데 성공하여 그 존재가 확인되었으며 빛과 같은 성질 역시 확인하였다.
이상의 근거로부터 빛은 전자기파이거나 전자기파와 깊은 관련이 있으리라 추측된다.
이후 빛이 전자기파라는 전제하에 전개된 이론들이 실험적인 사실과 잘 맞아떨어져서 빛의 전자기파 이론이 잘 정착하게 되었습니다.
참고자료 : 위키피디아 항목 'light' http://en.wikipedia.org/wiki/Light
그림출처 : 위키피디아 항목 'Faraday effect' http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_effect