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전기력과 자기력은 모두 익숙할 거야.
전기력은 전류처럼 우리에게 익숙한 전기현상의 원동력으로, 전하(전하를 띈 입자, 예를들어 전자나 핵) 사이에 작용하는 힘이고,
자기력은 쉽게 지구의 자기장이나 자석끼리 밀고 당기는 힘을 생각하면 돼.
이번에는 아인슈타인 성님의 특수 상대성이론을 이용해서,
전기력과 자기력이 사실은 하나라는 것을 가장 쉬운 예를 통해 알아볼게.
자기 현상이, 사실은 전기 현상의 상대론적 효과에 불가 하다는 것이 핵심이야.
왜 그럴까?
먼저 네 가지의 선행 지식이 필요해.
첫째 : 서로 같은 전하 끼리는 밀어내고, 다른 전하 끼리는 끌어 당긴다
이렇게 전하(전하를 띈 입자) 사이에 작용하는 힘을 전기력이라고해
예를 들어서 익숙한 전자 끼리는 둘 다 음의 전하니까 서로 밀어 내겠지?
둘째 : 전류가 흐르는 도선 주변에는 자기장이 생긴다
전류가 흐르는 도선 주변으로는 자기장이 생겨서 나침반의 N극이 자기장 방향으로 정렬되지
근데, 전류란 무엇일까? 바로 전하의 흐름이야.
우리가 일상에서 쓰는 전류는, 전선에서 전자가 한 쪽 방향으로 흐르기 때문에 발생하는 거야
지구 주변에 자기장이 생기는 원리도 이와 마찬가지야.
지구의 금속 외핵이 움직이면서 마치 전류가 흐르는 것처럼 그 주변에 자기장을 발생시키는 것이지.
움직이는 전하의 흐름인 전류는 자기장을 발생시켜.
셋째 : 자기장내에서 운동하는 전하는 자기력을 받는다
중딩때 배운 추억의 왼손법칙
운동하는 전하, 즉 전하의 흐름은 전류라고 했지?
위 그림처럼 자기장 내의 움직이는 전하가 만드는 전류는 플레밍의 왼속법칙에서 엄지에 해당하는 방향으로 힘을 받게 되있어.
이러한 힘을 자기력이라고 하지.
위 법칙을 이용하면 아래처럼, 두 도선에 전류가 흐른다고 할 때,
전류의 방향에 따라 두 도선(전선)사이에 밀어내거나 끌어당기는 힘이 발생한다는 것을 알 수 있어.
각각 도선에 전류가 흘러서, 그 주변에 자기장이 발생하고, 이로인해 서로 끌어당기거나 밀어내는 거지.
넷째 : 특수상대론에 의하면, 서로 등속운동하고 있는 관찰자는 서로의 길이가 수축된 것 처럼 보인다
위 그림처럼, 만약 우리가 정지해 있고, 저 회색공이 V의 속도로 움직이고 있다고 하면,
우리가 볼 때 저 회색공의 길이는 V방향으로 줄어드는 것처럼 보여
여기서 C는 빛의속도인데, 물체의 속도는 아무리 빨라도 빛의속도 C를 넘을 수 없기 때문에 0.9C 까지만 해놓은거야 ㅎㅎ
이런 현상을 Length Contraction(길이수축) 이라 부르지
어쨋든, 필요한 선행 지식은 여기까지고,
그럼 이제부터 자기력을 아인슈타인의 특수상대성이론의 길이 수축을 이용하여 전기력과 합쳐볼꺼야!
대체 자기력과 길이수축이 무슨 상관이 있을까?
아래의 그림을 보자!
위 그림처럼, 도선 밖의 +전하(q)가 오른쪽으로 v 속도로 움직이고 있고,
도선 내부에선 -전하인 전자가 같은 속도 v로 같은 방향인 오른쪽으로 움직이고 있는 상황을 생각해 봐.
도선 내부의 +전하(원자핵)은 무거워서 움직이지 못하고 정지해 있어.
위와 같은 상황에선, 분명 도선에 전류가 흐르고 있기 때문에 그 주변에 자기장이 생기고,
도선 밖의 +전하(q)는 그 자기장 속에서 v의 속도로 움직이고 있으니 당연히 자기력을 받겠지?
하지만 일단 자기장이 없다고 생각하고 전기력만 생각해보자.
먼저 아인슈타인의 상대론적 효과를 생각하지 않으면, 도선은 중성이야.
중성이란? 중성은 전기적으로 +전하와 -전하가 서로 같은 양만큼 있어서 서로 상쇄되어 전하의 총합이 0인 상태지.
따라서 도선 주변의 전하가 받는 전기력도 없겠지?
그래서 자기장을 고려하지 않으면, 전기력도 없고 자기력도 없기 때문에 당연히 밖에 있는 +전하(q)가 받는 힘도 없어야해.
위 상황을, 도선 밖에 있는 +전하(q)의 입장에서 보자!
당연히 같은 속도 v로 움직이고 있던 -전하(전자)들은 정지한 것으로 보일것이고,
대신 +전하들이 반대로 왼쪽으로 움직이고 있는 것으로 보일 거야.
그게 뭐 어쩃다는 거지?
근데 선행 지식 부분에서, 서로 다른 속도로 움직이고 있는 관찰자는 서로 길이가 수축된 것 처럼 보인다고 했지?
그럼 길이수축을 고려하면, 밖에 있는 +전하(q)입장에서 보면 도선 내부의 전하들은 어떻게 보일까?
이렇게 보일거야!
즉, +전하들 사이의 간격이 상대론적 길이 수축에 의해 더 짧아 보이겠지.
이젠 더이상 도선은 전기적으로 중성이 아니고, q입장에선 도선이 전체적으로 +전하를 띄고 있는 모습으로 보일거야.
길이 수축에 의해 +전하가 더 빽빽해져서 밀도가 더 높아졌으니깐
결과적으로 전기력이 작용하여 +전하는 밀어내느 척력을 받겠지
이러한 전기력의 상대론적 효과가, 자기력을 발생시키는 거야.
즉, 사실은 자기장 때문에 발생하는 자기력 같은 것은 없었고, 전기력만 있었을 뿐이지
결국, 자기력이라는 것은 사실 전기력의 상대론적 효과에 불가했던 거야
이렇게 아인슈타인은 특수상대론을 이용하여 전기와 자기(전자기)가 결국은 하나였음을 더욱 근본적으로 설명했어.
이를 전자기력이라고 하지. 그래서 항상 전기와 자기 현상을 묶어서 배웠던거야.
이론물리학자들의 끊임없는 연구로,
1970년대에 자연에 존재하는 네 가지 힘(전자기력, 강력, 약력, 중력) 중에서 전자기력과 약력(약한 핵력)까지 합쳐졌지만
중력과 강력(강한 핵력)은 아직까지 합쳐지지 못했어.
아인슈타인은 후에 일반상대론을 발표하고,
죽기 전까지 네 가지 힘(전자기력, 강력, 약력, 중력)을 모두 합치는 통일장이론(ToE)을 위해 연구했지만
끝내 이루지 못하고 죽었지.
최근엔 초끈이론(Super string theory)이라는 이론이 위 네 가지 힘을 모두 합치려 노력하고 있지만, 큰 성과는 내지 못하고 있어.
과연 이 네 가지 힘들은 미래엔 모두 합쳐질 수 있을까?