차례
1. 스스로 돌려 힘을 만드는 돌
2. 자석은 언제 발견되었을까?
3. 방향을 가리키는 광물
4. 자석이 열어준 대항해시대
5. 콜럼버스를 고민에 빠뜨린 ‘편각’
6. 지구가 거대한 자석임을 밝힌 ‘자석론’
7. 지구자기는 생명의 수호신?
8. 전기로 세상을 밝힌 남자
9. 자석이 음악 산업을 뒤흔들다
10. 인간의 기억력을 대체할 물질
1. 스스로 돌려 힘을 만드는 돌
자석은 너무나 친근한 재료라서 특별한 생각이 들지 않을수도 있지만, 가만히 생각해 보면 자석만큼 불가사의한 재료도 없는 것 같습니다. 어떤 에너지를 가하지 않아도 거리와 차단막을 뛰어넘어 물체를 끌어당기는 물체가 자석 외에 또 있을까요? 만일 자석이 희소금속 (rare metal)만큼 희귀한 재료였다면 전 세계 국가와 대기업이 거액의 자금을 투자해 쟁탈전을 벌였을 것입니다. 그만큼 자석은 유용하고 특이한 존재입니다.
다행히도 자석은 수량이 풍부하며 인공적으로 싸게 만들 수도 있습니다. 자석에 관한 혁신은 또 다른 혁신을 불러일으켰고, 오늘날 자석이 없는 사회를 상상하는 것은 대단히 어렵지요. 자석의 폭넓은 활약상은 많으 사람의 상상을 훨씬 뛰어넘을지도 모릅니다.
쇳조각을 끌어당기는 자석의 신비한 성질은 먼 옛날부터 사람들의 관심을 끌었지만 그 이유를 밝혀내기란 상당히 쉽지 않았지요. 20세기에 와서야 마침내 수수께끼가 풀렸지요.
자기력을 만들어내는 것은 전자의 스핀(spin)입니다. 그렇다고 해서 전자가 저말로 팽이처럼 뱅글뱅글 스스로 돌지는 않지요. 이렇게 생각하면 이해하기 쉬우므로 ‘스핀’이라고 부릅니다. 전자의 스핀에는 상향과 하향의 두 종류(실제로는 상하 방향이 있지 않음)가 있지만 보통 물질 속에는 이 둘의 수량이 같아서 서로의 힘을 상쇄해 버립니다. 이러한 까닭에 대개의 물질에는 자기력이 없어요. 그러나 철 원자는 특수한 전자 구조이므로 스핀의 성질이 상쇄되지 않고 남습니다. 실온에서 이와 같은 성질을 보이는 금속은 철 외에 코발트와 니켈뿐입니다( 단, 2018년에 특수한 결정 상태의 루테늄이 실온에서 강한 자성을 띤다는 사실이 확인됨).
그렇다고는 해도 보통의 철 덩어리는 자석으로 기능하지 않습니다. 철 원자의 방향이 제각각이어서 서로 간에 자력을 상쇄해버리기 때문이지요. 평범한 철에 자석을 대면 (자기장을 걸면) 철 원자가 한 방향으로 정열 되어 자력을 띠게 됩니다. 예컨대 철이나 코발트, 니켈 등 특별한 원소의 방향이 정렬될 때 자기력이 발생하게 됩니다.
2. 자석은 언제 발견되었을까?
인류는 언제부터 자석을 알고 있었을까요?
전해오는 이야기에 의하면, 그 기원은 유목민이 신발이나 지팡이에 붙은 철제 장식품이 검은색 돌을 끌어당긴다는 사실을 발견한 것이라고 하네요. 자연에는 자철광이라 불리는 철광석이 지천으로 널려 있고 그중에는 자성을 띤 광석도 있으므로, 전 세계 각지에서 많은 사람이 자석의 존재를 알고 있었을 것입니다.
자석의 영어 이름인 ‘마그넷(magnet)’의 어원에는 몇 가지 설이 있으나, 그리스의 마그네시아 지방에서 산출된 데서 유래했다는 설이 유력합니다. 철학자 탈레스가 저서에서 자석을 언급한 사실로 보아, 이미 기원전 6-7세기에 철을 끌어당기는 성질이 널리 퍼져 있었던 듯합니다.
옛날 중국에서는 철이 자석에 딸려오는 모습이 마치 어린아이가 자애로운 엄마를 따르는 것 같다고 하여 자석을 ‘자애로울 자(慈)’와 ‘돌 석(石)’으로 표기했습니다. 그리고 자석이 많이 산출되는 지방은 자주( 慈州 )라고 불렀습니다. 동서양을 막론하고 자석은 고대부터 사람들의 흥미를 불러일으키는 존재였던 듯합니다.
중국에서는 자석을 의학품으로 사용하려는 시도도 있었습니다. 서양에서도 ‘베게 밑에 자석을 숨겨두면 바람피우는 여성이 침대에서 떨어진다.’ ‘흰 자석은 최음제가 된다’ 등의 미신을 오랜 기간 믿어왔습니다. 이런 것으로 보아 옛날 사람들이 자석의 불가사의한 힘을 얼마나 신비하게 여겼는지 짐작할 수 있습니다.
3. 방향을 가리키는 광물
자석을 실용적 가치를 처음으로 발견해 낸 사람은 아마도 중국인이었던 것 같습니다. 중국인은 자석이 남북을 가리킨다는 사실을 깨닫고 자석을 나침반으로 이용했습니다.
고대부터 중국에는 ‘천자는 남쪽을 향한다’란 말이 있어 황제는 남쪽을 향해 앉아야 한다고 여겼지요. 이러한 까닭에 중국의 전설 속 제왕인 황제(중국 고대 전설상의 제왕, 처음으로 곡물 재배를 가르치고. 문자, 음악, 도량형 등을 정했다고 한다)가 행차할 때, 항상 남쪽을 알려주도록 ‘지남차(指南車)’를 발명했다고 합니다(사람을 올바른 방향으로 이끈다는 의미인 ‘지남[指南]’의 어원).
1세기에는 ‘사남지작(남쪽을 가리키는 국자)’이란 물체가 문헌에 등장합니다. 사남지작은 천연 자석을 숟가락 모양으로 깎은 것으로, 손잡이가 남쪽을 가리켜 방향을 알려주었습니다. 나무로 만든 물고기에 방위 나침반을 넣어 물에 띄운 ‘지남어’는 3세기 즈음에 이용되었는데, 제갈공명이 사용했다는 이야기도 전해집니다. 이러한 자석은 제지법, 인쇄술, 화약과 더불어 고대 중국의 4대 발명품으로 평가됩니다.
4. 자석이 열어준 대항해시대
나침반이 진정으로 위력을 발휘한 시기는 명나라(1368-1644) 때 부터입니다. 제3대 황제인 영락제는 환관인 정화를 총지휘관으로 임명하여 서방 제국에 ‘서양취보선’ (서양에서 보물을 가져온다는 뜻)을 보냈습니다. 제1차 항해 때는 62척의 함대를 보냈는데, 함대 한 척의 길이는 150m, 현재로 말하면 8,000톤급 배에 해당했다고 합니다.
서양취보선의 항해는 7차까지 이어졌지요. 함대는 명나라에서 멀리 떨어진 지금의 케냐에까지 가서 수많은 진귀한 물품을 명나라에 가져왔습니다. 육지에서 멀리 떨어진 바다에서 흐린 날에도 정확하게 방향을 알려 주는 나침반이 없었다면, 이 엄청난 일은 불가능했을 것입니다. 하지만 ‘동양의 대항해시대’는 정화의 죽음과 함께 막을 내렸고, 이후에는 함대를 파견하지 않았습니다. 정화의 교역 활동은 일반 상업 거래와 달라서 여러 나라가 명나라에 공물을 바치고, 명나라는 막대한 보물을 하사하는 ‘조공무역’이었습니다.
만약 무역이 계속 이루어졌더라면 항해 기술은 얼마나 발전했을까요? 그리고 수십 년 후 시작된 서양의 대항해시대에 어떤 영향을 끼쳤을까요?
5. 콜럼버스를 고민에 빠뜨린 ‘편각’
정화의 항해 이후에 찾아온 서양의 대항해시대에 나침반이 얼마나 크게 공헌했는지는 말할 필요가 없을 것입니다. 영국의 철학자 프랜시스 베이컨의 저서 ‘노붐 오르가눔(Movoum Organum)에서 나침반을 비롯한 르네상스 3대 발명품을 다음과 같이 평가했습니다. “인쇄술, 화약 및 항해용 자침은 이 세상 만물의 모습과 상태를 바꾸어 버렸다. 첫 번째 발명은 문필과 관련된 분야에서, 두 번째는 전쟁과 관련된 분야에서, 세 번째는 항해에 관한 사항에서 무수한 만물의 변화를 가져왔다. 따라서 이와 같은 기계의 발명이 끼친 영향과 비교하면, 어떤 제국이라든가 교파라든가 별자리 등이 인간사에 훨씬 커다란 결과는 영향 따위를 끼쳤다고는 보이지 않을 정도다.”
장거리 항해가 가능해지면서 나침반의 예기치 못한 약점이 드러났지요. 오늘날 잘 알려진 대로 자석은 정확하게 북쪽을 가리키지 않습니다. 지방에 따라서 다른데요, 이를 ‘편각’이라고 합니다.
중국에서는 이미 8-9세기경 편각에 대해 알았던 것 같습니다. 북송시대의 정치가이자 학자였던 심괄은 그의 저서 ‘몽계필담’에서 자석이 가리키는 북쪽(자북)과 진짜 북쪽(진북) 사이의 오차를 지적하며, 서계 어디서에서나 항해에 사용할 수 있는 나침반에 관해서 설명합니다.
편각 오차로 골머리를 앓았던 사람은 크리스토퍼 콜럼버스입니다. 그는 아메리카 대륙을 목표로 항해를 떠난 지 10일째쯤에 나침반이 북서쪽으로 점점 기울어진다는 사실을 발견했지요. 지점에 따라 변하는 편각은 오랫동안 항해할 경우 오차가 커집니다. 배의 진동이나 주변의 철제품이 영향을 주기도 해서 편각을 정확하게 측정하기도 어렵습니다.
자석이 가리키는 북쪽은 시대에 따라서 달라진다는 사실도 확인이 되었습니다.
6. 지구가 거대한 자석임을 밝힌 ‘자석론’
편각은 왜 생기고 시대에 따라 이동하는 까닭은 무엇일까요? 그리고 자석은 처음부터 거의 남북을 가리킬까요? 16세기 말경에 윌리엄 길버트(William Gilbert)는 자석의 비밀을 본격적으로 파헤쳤습니다. 그는 자신이 연구한 여러 성과를 ‘자석론’에 총망라를 했지요. 이 책에는 약한 자석은 강한 자석으로 강화할 수 있고, 물체로 차단해도 자기력이 전달되며, 자기력이 미치는 범위에 한계가 있다는 점 등을 기록했지요. 그리고 자석에 얽힌 수많은 미신이 옳지 않다는 사실 또한 입증했습니다.
‘자석론’의 가장 큰 성과는 지구 자체가 거대한 자석이라는 것을 증명해 낸 것입니다. 이때까지는 북극성이 자석을 끌어당기기 때문에 자석이 남북을 가리킨다고 믿었지만 길버트는 실험을 통해 이를 부정했습니다.
지구가 자기를 띠는 까닭은 지구의 내핵에서 녹은 철 등이 자전의 영향을 받으며 열대류(열의 작용으로 수직 방향으로 일어나는 공기의 흐름) 함으로써 전류를 발생시키고, 이 전류가 자기장을 만들어내기 때문이고, 자기극이 시대에 따라 이동하는 까닭은 이 액체 상태의 철이 다양한 형태로 움직이기 때문이라고 합니다. 길버트의 자석 연구는 인간이 발을 디디고 있는 지구가 단단한 암석 덩어리가 아니라 역동적으로 움직이라는 것이라는 새로운 지구관 확립의 주춧돌이 되었습니다.
7. 지구자기는 생명의 수호신?
지구자기는 인간의 생각보다 활발하게 변동하며, 심지어 남북이 완전히 뒤바뀌는 현상도 지구 역사 속에서 최소한 수백 번 일어났습니다. 지금으로부터 가장 가까운 시기에 일어난 지구자기역전은 약 77만 년 전이라고 합니다. 한편으로는, 지구자기가 생명체에게 수호신이나 마찬가지라는 주장도 있답니다. 지구는 태양풍과 은하 우주선(태양계를 포함해 우리 은하 전체 공간을 날아다니는 고속의 입자, 원차 핵 또는 전자) 같은 플라스마 입자에 끊임없이 노출됩니다. 하지만 지구자기는 입자들의 진로에 영향을 주어 입자들을 튕겨내고, 튕겨나간 입자는 북극이나 남극에서 대기 분자와 충돌해 빛을 냅니다. 이것이 오르라의 정체이지요. 그런데 지구자기가 없다면 지구는 항상 플라즈마 입자의 폭격을 받게 되므로 생명 활동에 지구자기의 영향이 나타난다는 것입니다. 공룡을 비롯한 몇몇 생물의 멸종 원인을 지구자기의 변화에서 찾는 학자들도 있답니다. 그러나 이런 주장에 다른 견해도 많습니다. 과거에 일어난 생물 대멸종 시기와 지구자기역전이 일어난 시기가 반드시 일치하지는 않기 때문이지요.
지구자기역전이 어떤 영향을 끼치기는 하겠지만 매번 생명의 대멸종을 초래하는 것 같지는 않습니다. 다만, 지금 지구자기가 역전한다면 GPS나 동신 인프라 등에 심각한 문제가 발생할 가능성이 있다고 지적합니다. 오존층의 변화로 자외선량이 증가하는 문제 역시 우려되므로 어떤 모습이 펼쳐질지 예측하기 어렵습니다.
1840년 이후의 지구자기를 측정한 결과, 100년마다 5%씩 지구자기의 세기가 약해지고 있다고 합니다. 어쩌면 이는 지구자기가 역전할 징후라고 보기도 하는데요. 과거에는 지구자기가 20만 년에 한 번꼴로 역전했으므로, 현재는 언제 역전해도 이상하지 않지요. 따라서 앞으로 지구자기의 변화에 세심한 주의를 기울여야 할 것 같습니다.
8. 전기로 세상을 밝힌 남자
윌리엄 길버트는 전기를 의미하는 일렉트릭시티(electricity)란 단어를 만든 인물 중 한 명으로 유명하지요. 그 어원은 그리스어 ‘호박(electron)’으로, 호박을 문질렀을 때 마찰 전기로 인해 표면에 물체가 달라붙는 현상에서 유래했습니다.
이후에도 많은 과학자가 거리를 초월해서 물체를 끌어당기는 전기와 자기란 두 가지 힘에 관심을 보이면서, 연구는 점차 물리학의 중요한 두 갈래 흐름으로 성장했습니다. 19세기에 영국의 천재적인 두 사람 중 하나는 마이클 패러데이, 그리고 다른 한 사람은 제임스 클러크 맥스웰 입니다. 페러데이는 실험을 통해 전기와 자기의 밀접한 관계를 제시했습니다. 그는 직접 원시적 발전기를 만들었고, 전기를 동력으로 바꾸기도 했지요.
맥스웰은 이론을 연구해 전기와 자기의 관계를 수식으로 표현하는데 성공했습니다.
현대의 전기 제품은 모두 패러디와 맥스웰의 업적을 기반으로 이루어졌다고 볼 수 있지요.
모터는 영구 자석에 코일을 끼워넣는 구조로 되어 있습니다. 코일에 전기를 흘려보내면 전자석이 되어, 양쪽에 있는 영구 자석과의 사이에서 흡인력과 반발력이 생기므로 이 힘으로 계속 회전합니다. 발전은 이와 반대여서 외부의 힘으로 코일을 회전시켜 유도 전류를 발생시킵니다.
원리를 알게 되면 점차 새로운 아이디어가 추가되므로 이 아이디어들이 합쳐서 또다시 새로운 발명품이 됩니다. 자동차 한 대만 보아도 엔진은 물론 와이퍼, 자동 개폐 창, 사이드미러, 잠금장치, 압축기, 냉각기 등 온갖 부분에 모터가 사용되며, 각 부분에 적합한 자석이 들어있지요. 현대 문명은 자석 문명이라고 해도 과언이 아닐 듯합니다.
9. 자석이 음악 산업을 뒤흔들다
자기력의 응용 분야는 모터와 발전만이 아닙니다. 자기력은 정보를 기록하는 데도 빠뜨릴 수 없지요.
자기 기록 매체가 등장한 때는 꽤 오래전 즉 1888년으로 거슬러 올라갑니다. 미국의 기술자 오벌린 스미스(Oberlin Smith)가 철사에 녹음하는 방법을 발표한 것입니다. 그러나 그 당시에는 음질 문제로 실용화되지는 못했지요.
제2차 세계대전 후, 녹음테이프의 우수한 품질에 감동한 빙 크로스비(Bing Crosby, 미국의 가수 겸 배우로 노래 ’ 화이트 크리스마스’로 유명)는 직접 5만 달러를 암펙스사에 투자해 테이프 리코더를 개발하도록 했습니다. 테이프 리코더는 라디오 프로그램과 음악 업계에 혁명을 일으켰고, 음악이 거대 산업으로 발전하는 계기가 되었습니다.
자기 테이프는 오랜 기간 녹음, 녹화 매체의 왕좌에 군림하지만 머지않아 컴퓨터 시대가 오면서 왕좌를 플로피디스크와 하드디스크에 내주게 됩니다.
디스크의 기본 원리는 모두 똑같습니다. 디스크에 코팅된 자성체를 미세한 구획으로 나누고 이 구획들을 자기화하는 것인데, 이때 N극과 S극의 방향이 1비트의 정보가 됩니다. 1970년에 처음으로 등장한 플로피디스크의 기록 용량은 겨우 8인치에 80킬로바이트(8만 바이트) 정도였지만, 지금은 이보다 훨씬 작은 하드디스크에 수 테라바이트(=수고 바이트)의 정보가 들어갑니다. 이것을 가능하게 한 기술은 거대 자기 저항 효과와 수직 자기 기록방식이란 혁신 덕분입니다. 현대의 컴퓨터 사회는 요컨대, 우리 눈에 보이지 않을 만큼 작은 자석들이 지탱하고 있는 셈입니다.
10. 인간의 기억력을 대체할 물질
현재 세계 최강의 자리에 군림하는 자석은 사가와 마사도가 1982년에 개발한 네오디뮴 자석입니다. 이 자석은 매우 강력해서 네오디뮴 자석에 손가락이 끼어 뼈가 완전히 으스러진 사람도 있답니다. 작은데도 흡인력이 엄청나서 하드디스크와 휴대전화의 소형화에 크기 기여했습니다. 하이브리드차와 같은 고도 첨단 기술 제품에 필수적인 자석으로, 원료가 되는 희소금속인 네오디뮴과 디스프로슘은 국제 정치 및 경제의 초점이 되었습니다.
근래에 이루어진 자석의 혁신 속도는 정말 놀랍습니다. 자석의 발전은 수많은 분야에서 혁신을 일으키는 실마리를 제공해 주고, 그 결과 우리 삶도 크게 변화했습니다.
모터와 전기는 인간의 힘의 몇 백배나 되는 힘을 발휘하여, 자기 기록 매체는 인간의 기억력을 거의 무한대로 증폭시켰습니다. 연약한 생물인 인류는 재료와 힘을 활용함으로써, 자신의 능력을 확장하고 현재와 같은 번영을 이룩해 냈습니다. 이러한 의미에서 보면 자석만큼 위력을 발휘한 재료도 없습니다. 철을 끌어당기는 돌을 발견한 이래 수천 년간, 인류가 자석과 함께 걸어온 긴 여정을 생각해 볼 수 있습니다.
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