[궁금한 S] 윌리엄 길버트와 '마법의 돌'

[이효종]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요. 영화에서 종종 등장하는 '초능력'이라고 하는 신비로운 능력은 예로부터 빠지지 않고 등장하는 단골 소재였습니다. 그중 물체에 손을 대지 않고 자유자재로 움직일 수 있는 '염력'은 대표적인 ‘'초능력'의 하나로 꼽히고 있습니다.

이처럼 떨어져 있는 물체가 서로에게 힘을 작용해 서로를 끌어당기거나 밀어내는 힘을 멀리 떨어진 거리에서 작용한 힘이라는 뜻의 '원거리 작용력'이라 부릅니다. 우리 주변에 흔히 볼 수 있는 자석은 바로 이 원거리 작용력을 쉽게 체험할 수 있는 도구이기도 하죠. 하지만 여러분, 상상해보세요. 과학이 발달하지 않은 고대인들에게 이 자석은 얼마나 신비로운 돌이었겠어요. 고대인들의 관점에서는 이러한 자석에 마법의 힘이 깃들었거나 정령이 숨어있다고 해도 이상할 것이 없었을 거예요. 그렇다면 이러한 마법의 돌이었던 자석에 대해 최초로 연구를 시도했던 과학자는 누구였을까요? 오늘 궁금한 S에서는 자석의 역사와 우리 생활에서 어떻게 쓰이는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

윌리엄 길버트, 그는 '자기학의 아버지'로 불리는 자연 철학자였습니다. 나침반이 중국에서 처음 발명되고 널리 보급되면서 당시 유럽인들도 줄곧 나침반을 사용해 바다를 항해했지만, 나침반의 자석이 어떠한 원리 때문에 방향을 알려주는지에 대해서는 그 누구도 명확히 설명하지 못했죠. 그래서 길버트는 자석에 관한 연구를 진행하기 시작했습니다. 그는 자석의 기원을 조사하면서 지구가 커다란 자석이라는 사실을 주장하게 됩니다. 당시 많은 사람은 나침반이 북극을 가리키는 이유를 북극성이 엄청나게 강력한 자석이거나 북극 쪽에 아주 강력한 자석이 있다고 생각했었지만, 길버트는 지구 전체가 커다란 자석이기 때문에 나침반이 북극을 가리킨다고 주장했어요.

또한, '마늘과 함께 자석을 두면 힘이 약해진다'라거나 '천연자석을 이용하면 두통을 치료할 수 있다' 같은 미신이 틀렸다는 것을 증명하기도 했습니다. 1600년에 출간된 그의 저서 '자석에 관하여'에서도 달이 지구를 도는 이유가 자석들 사이에 작용하는 힘과 비슷한 이유일 것이라는 주장이 내포되어 있었습니다. 다시 말해 천문학적 현상 또한 자석의 힘을 이용해 설명하려고 했던 것이죠. 그렇기 때문에 길버트 또한 코페르니쿠스가 주장했던 지동설을 지지하기도 했습니다.

이러한 이유에서인지 길버트의 '자석에 관하여'라는 책은 천문학에 관심이 많았던 많은 과학자에게 큰 영감을 주는 책으로서 자주 읽히게 됩니다. 천문학에 한 획을 그은 과학자인 갈릴레이와 케플러도 이 책을 통해서 큰 영감을 얻었다고 하니, 이러한 사실을 통해 당시 큰 영향력이 있는 책이었음을 미루어 짐작해볼 수 있겠죠? 또한, 길버트는 자석뿐만 아니라 전기현상에 대해서도 연구했는데요.

호박에 먼지, 실, 종이 같은 게 달라붙는 것을 본 길버트는 호박 외에도 유리나 유황 등을 문지르면 가벼운 물질을 잡아당긴다는 사실을 알아내게 됩니다. 그는 그 잡아당기는 힘을 고대 그리스어로 호박이라는 뜻의 ‘일렉트리카’라고 불렀는데, 이것이 오늘날 전기 (일렉트릭시티)라는 말의 유래가 되었답니다.

이를 통해 자석의 힘과 호박의 힘은 전혀 다른 것으로 정의하면서, 길버트는 자기학과 전기학의 토대를 각각 마련해 놓게 되었습니다. 재미있게도, 이렇게 쪼개진 두 학문은 19세기 어떤 천재적인 과학자에 의해 다시 하나로 합쳐지게 되지만 말이에요.

이러한 자석에 관한 커다란 업적들도 대단했지만, 길버트의 업적 중 가장 빛나는 업적은 학문적으로서 과학과 유사 과학을 분리해낸 전개 방법. 다시 말해 과학의 연구를 최초로 실험적인 방법을 통해 증명하려는 접근 방식이었습니다. 또한, 자신의 실험 방법을 누가 봐도 재현할 수 있게끔 대단히 구체적으로 서술했기 때문에 자신의 주장에 대한 근거로 이용되기도 했죠. 이러한 실험적 연구 태도 덕분에 갈릴레오보다 더 일찍 '최초의 근대 과학자'라는 칭호를 얻을 수도 있었지만 아쉽게도 길버트는 자신의 주장에 대한 실험적 증명만 있었을 뿐, 수학적 근거는 부실했기 때문에 최초의 근대 과학자라는 칭호는 갈릴레오에게 돌아가게 됩니다.
하지만 이미 오래전부터 알고 있었던 자석의 성질과 원인을 알아냈다는 원초적 역할을 했다는 것에 대해서는 반박할 수 없겠죠?

그럼 우리는 일상 곳곳에서 얼마나 자석을 많이 사용하고 있을까요? 신용카드나 통장에 있는 마그네틱 바는 자석으로 되어 있어 여러 가지 정보를 저장할 수 있고요. 마트나 백화점에서 물건을 구매하지 않고 몰래 가지고 가면 '삐~삐'하고 울리는 도난방지 시스템도 자석의 원리를 이용한 것입니다. 우리가 밖으로 나갈 때 이용하는 출입문은 두 기둥 사이를 반드시 통과해야 합니다. 이 두 기둥 사이엔 코일이 칭칭 감겨 있는데요. 한쪽 코일에서 특정한 주파수로 전류를 흘리면 맞은편 코일에서도 유도전류가 흐르게 됩니다. 그러면 두 기둥 사이에 자기장이 형성되는데요. 이 자기장은 전류를 흘린 쪽에서 유도전류가 흐르는 방향으로 자기장이 흐릅니다. 만약 이 자기장 속을 자성을 띤 물체가 지나가면 자기장의 방향이 흩어지거나 변하게 되는데요. 자성을 띤 물체 쪽으로 유도전류의 방향도 바뀌게 되는 것이죠. 이 흐름을 센서가 감지해 경보음을 울리는 것입니다. 또, 체내에 자성을 띄는 물질을 가지고 태어나, 그 감지 능력을 이용해 방향을 찾는 동물도 있답니다. 사실, 우리 주변에서 흔하게 볼 수 있는 새가, 바로 그 주인공이지요! 바로 비둘기입니다. 비둘기는 머리뼈와 뇌의 막 사이에 아주 작은 자석 세포가 존재하고 있습니다. 이 자석 세포가 나침반과 비슷한 역할을 수행하기 때문에, 비둘기는 방향을 쉽게 찾아 집을 잘 찾을 수 있다고 합니다. 정말 신기하지 않나요?

오늘은 신비한 마법의 돌, 자석에 대해서 알아봤습니다. 윌리엄 길버트에 의해 전기와 자기로 나뉘어 독립적으로 존재하던 이 학문은 이후 관련 연구에 매진했던 여러 자연 철학자들에 의해 진보, 발전되게 되면서, 전자기학이라는 이름으로 새롭게 탄생하게 됩니다. 그리고 이는, 우리 주위의 자연현상과 물질의 성질을 이해하는 데 큰 역할을 해 주었을 뿐만 아니라 편리한 생활을 안겨주는 계기가 되기도 했죠. 그럼 궁금한 S도 이만 인사드릴게요.

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