전기장, 자기장, 중력장

전기장, 자기장, 중력장, . ~~~ 장이란 말이 물리에서 나오는데요. 중력장은 중고등학교때는 쓰지 않는 용어지만, 전기장, 자기장은 처음부터 그렇게 썼기 때문에 그게 뭔지도 모르고 그냥 썼습니다. 참고서를 보면 잠깐 설명하는게 있던데 그런 설명은 기억에도 남지 않았습니다. 그리고, 대학교 1학년때, ‘장이란 말이야’하고 교수님이 설명을 따로 하실 때서야 그게 특별한 의미를 지닌 개념인 것을 알았습니다. 여기서는 전기장을 대표로 이야기 할까합니다.

장(場) 이란 한자어를 한글로 바꾸면 ‘마당’ 입니다. 영어에서 field 란 용어를 번역하면서 온 말인 것 같습니다.  보통 ~~~~ 한 공간이라고 설명합니다. 그래서, ‘전기장’의 경우는 ‘전하를 가져가면 전기력을 미칠 수 있는 공간’이라고 설명을 하고 있군요. 그런데, 이렇게 설명을 하니까 네이버 지식인에 재미있는 질문이 나오더군요. 누군가가 ‘공간이 방향이 있다는게 무슨 말인지요?’ 라고 하더라구요. 저는 이 질문이 무슨 말인지 이해가 안되었습니다. 그런데, 또 다른 걸 보니 이 질문을 좀 더 자세하게 한 분이 있더군요. ‘전기장이 공간이라는데, 전기장의 방향이라고 묻는 것은 공간의 방향을 묻는데 그게 도대체 무슨말이냐구요.’ 질문이 잘못 된 것은 아니죠. ~~장이 공간이라면 전기장의 방향은 공간의 방향이라는 것은 당연한 논리죠. 그제서야 첫 질문의 뜻을 이해했습니다. 그래서, 장을 공간이라고 설명하면 안되는구나하고 생각하게 되었습니다.

그래서, ‘전하를 가져가면 전기력을 미칠 수 있는 공간’ 이라고 설명한 곳에서는 뭐라고 하는지 살펴보았습니다. 전기장의 세기, 전기장의 방향을 어떻게 설명하는가 하면 ‘전기장 안에 단위 양전하를 놓았을 때 이 전하가 받는 전기력의 크기, 전기력의 방향’을 전기장의 크기, 전기장의 방향이라고 한다고 설명하고 있더라구요. 그러니까, 공간의 방향이 아니라, 공간 안에서 전하가 놓였을 때 전기력의 방향을 말하는 것이라는 설명이죠.

음.. 제가 보기에는 네이버 지식인에 질문한 두 분의 견해를 더 지지하고 싶네요. 장을 ** 공간이라고 설명하고는 장의 크기와 장의 방향을 또 **힘으로 설명하는 것은 바람직해 보이지는 않네요. 저도 예전에 다른 사람들한테 장을 공간이라고 설명했었는데……… 좋은 정의가 아닌 것 같습니다.

그래서, 영어로 된 대학교재에는 어떻게 써놓았는지 유심히 살펴보았습니다. 방안에 모든 곳에는 온도가 어떤 값을 가지고 있을 텐데, 우리는 온도계를 곳곳에 두어보면 그 공간에서 온도를 측정할 수 있다. 그 온도의 분포를 온도장이라고 부른다라고 설명하네요. ( We call the resulting distribution of temperature a temperature field. ) 마찬가지로 물속의 압력의 분포를 압력장이라고 하면 되고, 이런 것은 크기만 있는 값이지만, 크기와 방향을 가진 물리량도 장이라고 부를 수 있다는 거죠. 대표적인게 전기장, 자기장, 중력장이라 되겠네요.

이런 설명 방식을 따른다면 전기력이란 크기를 만들어내는 물리량의 공간적 분포를 전기장이라고 설명하는게 더 앞뒤가 맞는 말이 되는데, 이렇게 설명하면 전기장이 뭔지 더 모르게 되겠죠? 아마도 수학적으로 장에 대한 엄밀한 정의가 있을텐데, 그 정의를 따르면 더욱 더 무슨 말인지도 모를것이구요. 우리는 그 정의를 어떻게 하든 그걸 어떻게 설명하든 그게 뭔 뜻인지만 잘 알아들으면 되는 것 아닐까 싶은데요……

어쨋든, 그것보다 더 중요한 것은 그런 장(field)란 개념이 왜 실용적 가치가 있는가 하는 점입니다. 그걸 공간이라고 하든, 분포라고 하든 왜 쓸데 없이 새로운 용어를 하나 더 만들었을까요?

제가 설득할 수 있는 것은 두가지 정도인데요. 첫째로는 전기력을 전하량을 가진 두 전하의 힘(쿨롱의 법칙)으로 설명하는 방식이 곰곰히 생각하면 문제가 있다는 것입니다. 어떤 곳에  한 전하가 받는 전기력을 알려고 하면 세상의 모~~~~든 전하의 위치와 전하량을 알아야만 그 지점의 전기력을 구할 수 있다는 결론이 나오는데요. 그럴 필요가 있을까요? 전기장을 구할 때 정의처럼 하나의 양전하를 어느 위치에 두고, 그 양전하의 전하량을 나눈값(전기장의 세기)를 알면, 세상의 모~~~~든 전하의 위치와 전하량을 몰라도 전하량을 아는 전하를 두면 그 위치에서 전기력이 얼마가 될지는 알 수 있잖아요. 또한, 우리가 테스트하는 위치가 아닌 다른 곳도 그런식으로 테스트하면 어떤 힘을 받을지 알 수 있을테니 모든 공간에서 언제든지 전하가 놓이기만 하면 전기력을 얼마 받을거라는 것은 예상 할 수 있잖아요. 여기의 한 전하와 나머지 모~~~~~ 든 전하의 위치와 전하량을 알아야만 하는 쿨롱의 법칙을 통해서 설명하는 것보다, 단순히 여기에 있는 한 전하와 테스트할 전하를 두면 알 수 있는 전기력을 만들어낼 물리량의 분포(전기장)을 알고 있는게 더 나은 접근법이 아닌가 하는 점입니다.
  둘째로는 쿨롱의 법칙에 따라 두 전하가 받는 힘이 그렇게 정해진다고 하면 저~~~~어기 100억 광년 떨어진 곳에 있는 전하가 좀 더 멀어지면 전기력이 약해져야할 텐데, 그게 지금, 당장, 바로 여기 있는 전하에 영향을 준다고 생각해야하는게 이게 말이 되는 건가요? 저~~~~어기 100억 광년 떨어진 곳에서 생긴 전하의 변화는 잘 몰라도 시간이 한참 걸린 뒤에 지금 여기에 영향을 주는게 맞는말 아닐까요? 그러니까, 저~~~~어기 전하는 시간이 걸려서 전기장에 영향을 주고, 여기 전하는 전기장의 영향으로 전기력이 바뀌는거라고 생각하는게 맞는 말 아닌가요? 

처음 장이란 개념이 전기장에서 먼저 도입된 것으로 알고 있는데 ( 과학사 아시는 분은 확인 부탁드립니다.) 그 때만 해도 전하의 변화에 따른 전기력의 변화가 시간이 걸리는 일이어야 된다고 생각만 했지 실제 얼마의 시간이 걸리는지는 알 수 없었을 겁니다. 그런데, 세월이 흘러 전기장이랑 자기장이 별개가 아니라 서로 연관이 있고 결국은 전자기장이란 하나의 장으로 설명하게 되었고, 전자기장의 변화는 시간이 걸린다는 것도 알게 되었습니다. 그게 전자기파라는 것이고 우리가 알고 있는 대표적인 전자기파가 ‘빛’, ‘전파’입니다. 그 속도는 대략 초속 30만 km 쯤 되지요. 저~~~어기 전하가 움직여서 생기는 변화는 빛의 속도로 전자기장에 영향을 주고, 전자기장의 변화에 따라 여기 전하가 영향을 받는다는 것입니다. 그러니 이제는 논쟁의 여지도 없이 전기장, 자기장이란 ‘장’ 이란 용어를 중학생들한테도 쓰고 있는 것입니다.

자 그러면 중력은요? 만유인력의 법칙으로 설명하는 것보다 중력장으로 설명하는게 더 맞는게 아닐까요? 그럼 중력도 전자기파와 같은 중력파란게 있어야 되는게 아닐까요? 그런게 정말 있을까요?

잠깐 신문기사를 보시죠.

http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?artid=201710031906001

전자기파와 달리 중력파에 대해서 저는 1도 모르는 사람입니다만, 그 뉴스를 듣는 순간 올해의 노벨상은 중력파라고 생각했습니다. 만약 여러분도 장이란 개념이 무엇인지 알고 있었다면 아마 이 뉴스를 듣는 순간 노벨 물리학상의 주제는 중력파가 될거라고 직감했을 겁니다. ( 뭐 노벨상 뒤에 숨겨진 많은 문제들은 뒤로 둡시다.) 이제는 중학생들한테도 중력장이란 용어를 써도 되는 시대가 열리는 것 같습니다. (그렇다고 중학생들한테 중력파를 가르치지는 맙시다. 제발~~)

장이란 개념이 왜 필요한지 이해가 되시는지요? 우리는 그것만으로도 충분할 것 같습니다. 시험때 전기장을 구하여라, 전기력을 구하여라. 라는 문제를 풀 때 조금이나마 도움이 되길 바랍니다.