호박과 자석에서 반도체와 양자역학까지,

전기로 이루어진 현대 문명의 퍼즐을 맞추다

“프랑스의 화가 라울 뒤피(Raoul Dufy, 1877~1953)는 파리 전력공사의 요청으로 ‘한 편의 그림’을 그렸다. 길이 60m에 높이가 10m인 이 작품은, 1937년 세계박람회장에서 전시된 〈전기의 요정(La Fée Électricite)́〉이다.”

 

미술 전공자들보다 전자기학 전공자들에게 있어서 더 큰 의미를 가지는 그림, 라울 뒤피의 〈전기의 요정〉을 저자가 직접 보면서 느낀 감동으로부터 이 책은 시작되었다. 저자가 이 책에서 독자들에게 선사하는 것은 단순한 전자기과학사의 나열을 넘어 현대 인류 문명을 만든 전자기학의 심층 구조를 탐사하는 여정이다. 『전기의 요정』은 전기라는 개념이 어떻게 태어나고, 인간의 삶과 과학 기술을 어떻게 바꾸어 놓았는지를 인물, ‘전기의 요정’들을 중심으로 되짚는다. 탈레스의 호박부터 시작하여, 맥스웰의 전자기 방정식, 테슬라와 에디슨의 전류 전쟁, 그리고 양자역학의 서막까지-전기와 자기, 전자기력의 역사를 시간의 흐름 속에서 유기적으로 엮어내며, 기술 진화의 모든 갈래를 하나의 큰 줄기로 통합시킨다.

『전기의 요정』에서 가장 두드러지는 특징은 무엇보다 전자기역학이라는 거대한 숲을 보여주는 시선이다. 우리가 교과서에서 단편적으로 배운 앙페르, 패러데이, 맥스웰 등의 인물들이 각기 다른 시대에 어떤 고민을 했고, 어떤 과학자들의 어깨 위에 올라섰는지를 보여줌으로써, 과학의 연속성과 인간적인 이야기들을 동시에 전달한다. 무엇보다, 전자기학이 통신, 반도체, 디스플레이, 제어 등 다양한 분야로 뻗어 나간 과정을 하나의 흐름으로 조망하게 해주는 점에서, 기술에 대한 이해를 넘어서 그 ‘맥락’을 되찾게 해준다.

저자는 이 책을 통해, 독자들이 전공자가 아니라도 전기와 전자기학의 큰 숲을 그릴 수 있도록 돕는다. 복잡한 수식이나 전문용어보다는, 이야기와 연결, 사람들의 선택과 실패, 그리고 시대의 전환점에 집중하며 독자를 과학사의 중심으로 끌어들인다. 마치 각기 떨어져 있던 조각들이 퍼즐처럼 맞춰질 때의 희열처럼, 『전기의 요정』은 과학에 대한 인식의 ‘재결합’을 꾀하는 안내서가 되어줄 것이다.

[목 차]
  

추천의 글

프롤로그

 

1부_ 유럽 전기 혁명의 미명

 

01 호박과 자석을 연구한 사람들

탈레스의 호박 / 고대 그리스의 자연철학자 / 로마인의 기록 / 아랍의 과학과 십자군의 자석 / 로저 베이컨과 스콜라 철학 / 윌리엄 길버트의 《자석에 관하여》/ ‘전자기학’ 용어의 사용

 

02 과학혁명과 전자기력의 맹아: 코페르니쿠스에서 뉴턴까지

헬리오센트리즘, 태양 중심 우주관의 확립 / 아리스토텔레스의 세계관에 맞선 투쟁들 / 네덜란드에 불어온 바람 / 철학자로 알려진 과학자 데카르트 / 거인의 어깨 위에 올라선 위대한 과학자 뉴턴 / 동시대의 거인들 / 역제곱 논쟁과 프린키피아의 혁명 / 뉴턴과 라이프니츠의 미적분 논쟁 / 전자기력의 맹아

 

03 17ㆍ18세기, 전기를 다룬 사람들

오토 폰 게리케, 마그데부르크의 반구를 발명하다 / 영국의 전기 기술자, 기체 방전의 시초가 되다 / 스티븐 그레이가 발견한 전기 전도성 / 그레이의 실험을 재현한 뒤페 / 라이덴 병: 전기를 저장하는 발명품의 탄생 / 번개를 끌어오는 사람들

 

04 계몽주의 시대의 전기 혁명

에피누스의 전기 그리고 평행판 커패시터 / 쿨롱의 비틀림 저울과 전기력 /프랑스의 계몽주의 시대를 연 아담과 이브 / 베르누이 가문과 오일러 / 유체의 저항과 달랑베르의 역설 / 배터리의 시작과 전기 혁명

 

2부_ 힘에서 장으로, 전자기학의 탄생

 

05 낭만주의 시대의 과학자들

칸트의 관념론과 코페르니쿠스적 전환 / 자연을 어떻게 바라볼 것인가 / 낭만주의는 사실 저항이었다 / 가시광선 스펙트럼 너머에 / 외르스테드의 발견: 전기와 자기의 상호 작용 / 앙페르의 자기력과 비오-사바르의 법칙 / 영국 왕립연구소가 남긴 족적 / 과학의 쇼를 주도한 험프리 데이비 / 위대한 도약, 패러데이의 유산

 

06 혁명과 프랑스의 요정들

프랑스 대혁명의 배경 / 고귀하고도 허망한 과학자 라부아지에 / 라그랑지안, 세상이 돌아가는 작용원리 / 대수학자 라플라스, 그의 방정식의 의미 / 에콜 폴리테크니크 출신의 두 거장

 

07 에너지 보존, 그 기원에 대하여

산업혁명과 루나 소사이어티 / 에너지 보존 법칙의 연구자들 / 렌츠의 법칙 / 일과 에너지 그리고 열의 연구 / 에너지 보존 법칙에 대한 고찰

 

08 화려하지 못했던 맥스웰 방정식의 등장

독일의 원격작용론자들 / 옴의 법칙과 동시 발견자들 / 전자기학의 산파들 / 맥스웰 방정식의 등장 / 빛에 관하여

 

3부_ 맥스웰의 유산과 한계, 그리고 불확실성의 서막

 

09 캐번디시 연구소와 맥스웰주의자들

유서 깊은 케임브리지의 캐번디시 / 헤비사이드 층으로의 여행 / 헤르츠의 전자기파 발견 / 시대 전환을 예고한 빛의 파동성 연구

 

10 발명가의 시대

결핍을 가진 미국의 전기공학자 스타인메츠 / 영국과 미국의 발명가들 / 해저 케이블의 시작 / 정보를 전달하는 바닷속 거대 뱀, 대서양 횡단 케이블 / 초기 전기 모터의 선구자들 / 전기의 마법사 테슬라의 출사표 / 유도모터를 발명한 동시대의 다른 발명가들 / 3상 모터, 균일하게 회전하는 힘 / 전기 자동차의 역사 / 전류 전쟁 /음파와 전파 그리고 전화기 / 마르코니와 테슬라의 무선통신 / 무선전력 전송

 

11 새로운 선에 관하여

진공관과 방전 연구 / 반도체의 시작은 전구였다 / 톰슨의 실험과 전자의 발견 / 미지의 빛, X선 / 새로운 빛, 방사선

 

12 언제나 후발주자였던 아인슈타인

절대 좌표계가 무너지는 순간 / 상대성 원리의 주역은 누구인가

 

13 빛이 갈라지고 시작된 양자의 세계

복사 에너지의 방출과 흡수를 연구한 사람들 / 양자의 탄생 / 광양자 가설 / 양자역학의 역사와 현대 문명

 

에필로그_ 노벨상에 다가간 한국인

주

[본 문]
  

라울 뒤피의 그림 〈전기의 요정〉에서 시작된 이 책은 전자기학의 비하인드 스토리를 다루고 있다. 구체적으로는 이론이나 동시대적 발견 그리고 용어에 기여한 선대 요정들이 등장하는데, 책을 집필하면서 특히 이 부분을 중요하게 생각했다. 전기전자공학에서 한 번쯤은 들어봤을 앙페르와 패러데이 그리고 맥스웰은 결실을 거둬낸 사람이었다. 전류 전쟁으로 유명한 에디슨과 테슬라 역시도 마찬가지이다. 그러나 그들을 위해 토양을 다진 사람들에 대해서 얼마나 알고 있었을까?

- 프롤로그

 

고대에는 호박의 전기와 마찬가지로 신비롭고 주술적인 성격을 띠는 광물이 있었다. 그것은 자석(magnet)이다. 신비한 돌에 대한 기록은 호박과 마찬가지로 탈레스에서부터 시작된다. 탈레스는 자철석(lodestone)이 철을 끌어당긴다는 사실을 알게 됐는데, 시간이 지나 자석에 대한 연구가 이루어졌을 때쯤에는 자석이 주변 물체들에 미치는 영향을 자기(magnetism)라고 부르기 시작했다. ‘전자기학’이라는 학문의 이름에서도 알 수 있듯이 물체를 끌어당기는 힘의 원천인 자기는 매우 중요한 현상이며, 앞으로 이어질 발견과 결과물들의 핵심 원리가 된다.

- 01ㆍ 호박과 자석을 연구한 사람들

 

뉴턴과 라이프니츠의 논쟁은 더욱 비대해졌고, 영국과 독일 양국 간의 다소 과격한 논쟁으로 이어졌다. 영국에 비해 작은 제후 국가였던 독일의 하노버 공국은 결국 라이프니츠의 지지를 철회한다. 더욱이 영국 왕가와 혈연관계에 있던 하노버 공국의 선제후 게오르크 루트비히가 앤 여왕의 뒤를 이어 영국의 왕 조지 1세로 즉위하자 대중의 눈치를 볼 수밖에 없었다. 한때 열렬한 후원자였던 조지 1세는 라이프니츠와의 관계를 정리하게 된다. 이후 승승장구한 뉴턴은 왕에 버금가는 지위를 누렸고, 죽은 뒤에도 존경을 받으며 왕실의 웨스트민스터 사원에 들어갔다. 반대로 라이프니츠의 말년은 초라했다. 그때는 마치 라이프니츠가 패배한 것처럼 보였으나, 200년이 흐른 현대의 관점에서 라이프니츠의 업적을 높이 평가하기도 한다. 물리학을 제외한 대부분의 분야에서는 라이프니츠의 표기법과 체계를 채택하고 있기 때문이다.

- 02ㆍ 과학혁명과 전자기력의 맹아: 코페르니쿠스에서 뉴턴까지

 

전자기학의 위대한 도약은 런던 교외 지역의 한 대장장이의 아들에게서 시작된다. 그는 손재주는 좋았으나 제대로 된 기초교육을 받지 못했다. 워낙에 호기심이 많고 손재주가 좋았던 소년은 13세부터 견습생으로 일하게 된 서점의 책을 닥치는 대로 읽었고, 새 책이 들어오면 자신만의 노트에 정리하면서 삶의 공허함을 채워갔다. 시간이 흘러 청년이 되었을 때쯤에는 누구의 도움도 받지 않고 책을 네 권이나 제본하게 됐다. 이를 본 서점 주인은 자신에게 훌륭한 직원이 있음을 고객에게 자랑하는데, 이를 전해 들은 왕립연구소의 회원 윌리엄 댄스는 이 청년을 기특하게 여겨 당시 인기 있던 험프리 데이비의 강연 티켓을 건네준다. 청년은 데이비의 훌륭한 강연과 실험 해석에 감명을 받았고, 그가 보고 들은 모든 것을 글과 그림으로 깔끔하게 정리해 냈다. 그러면서 자신의 인생을 과학과 진리 탐구에 투신하겠다고 다짐했는데, 그 청년이 마이클 패러데이(1791~1867)이다.

- 05ㆍ 낭만주의 시대의 과학자들

 

옴의 법칙은 맥스웰 전자기학의 등장에 앞서 상당히 중요한 사건이다. 특히, 인접 작용이야말로 패러데이의 역선을 물리적으로 완벽히 설명해 낼 수 있다는 점에서 그 등장 의미가 남다르다고 말할 수 있다. 이 모든 것은 열의 전달을 설명하고자 했던 프랑스 에콜 폴리테크니크의 과학자들로부터 시작되었으며, 그들의 연구는 옴 외에도 전자기학의 태동을 위해 헌신할 또 다른 사도들에게 영향을 주고 있었다.

19세기 초 프랑스가 일으킨 전쟁은 주변 국가들에 많은 영향을 끼쳤으며 그 과정에서 에콜 폴리테크니크의 과학적 성공도 빠르게 전파되었다. 나폴레옹의 쇠퇴기인 1814년에는 영국 노팅엄의 빵집 주인도 프랑스 과학자의 책을 읽을 정도였다. 이것은 풍자가 아니라, 실제로 전자기학이 한 빵집 주인으로부터 지대한 영향을 받았다.

- 08ㆍ 화려하지 못했던 맥스웰 방정식의 등장

 

법과도 같은 광경을 지켜본 미국과 유럽의 전기 기술자들은 교류 시스템의 위력에 감탄을 금할 수 없게 된다. 결국 1893년 10월 나이아가라 발전소의 수주는 웨스팅하우스의 차지가 되었고, 테슬라가 전류 전쟁에서 승리를 거두었다. 1895년 7월 16일 자 《뉴욕 타임스》에서는 ‘19세기의 가장 훌륭한 공학적 승리’라며 테슬라의 업적이 기사화되었다.

과학의 발전에서 승리와 패배를 논하는 것이 우스꽝스럽지만, 사업과 정치적 이해관계가 뒤섞이며 벌어진 전류 전쟁에서 누군가는 기어코 테슬라가 에디슨을 물리쳤다고 말할 수 있을 것이다. 그러나 이 말은 그때는 맞았고 지금은 틀렸다고 할 수 있다. 이러한 관점은 시간이 흐르고 기술력이 진보하면서 언제든 바뀔 수 있는 논쟁이 되었다.

- 10ㆍ 발명가의 시대

 

오늘날 우리는 말 그대로 전기로 둘러싸인 세상 속에 살고 있다. 전기라는 에너지의 한 형태를 인류가 자유자재로 다룰 수 있게 되면서 스마트폰은 사실상 신체의 일부가 되었고, 전기 자동차를 타고 도로 위를 누비며, 배터리를 통해 일상에서 산업까지 전기를 저장하고 이동시키고 있다. 반도체는 손끝에서 지능을 구현할 수 있게 해주고, 초전도체는 저항이라는 물리 법칙의 한계를 넘어 물질의 본질에 대한 새로운 질문을 던지고 있다. 이러한 기술들이 눈앞에 펼쳐져 있는 시대에 살다 보니, 과거의 위대한 발견들이 초라해지는 것도 당연하다.

하지만 이 모든 기술과 개념은 결코 스스로 태어난 것이 아니다. 현재까지 이어지는 많은 기술이 수 세기에 걸친 선대 요정들의 어깨 위에 세워지고 있다. 탈레스가 호박을 문지르며 신기한 현상을 관찰하던 순간부터, 패러데이와 맥스웰이 전자기장의 본질을 밝혀내기까지, 그 여정은 언제나 당연하지 않은 질문에서 시작되었다. 전류가 흐를 수 있다는 것, 전압이 유도된다는 것, 자석이 힘을 미친다는 것, 그 무엇 하나 쉬운 전제가 아니었다.

- 에필로그

조동호 (KAIST 전기및전자공학부 명예교수)

이 책은 전기와 전자기학 발전사에서 핵심 역할을 수행한 과학기술자들의 기여도를 살펴보고, 어떤 과정을 통해서 전기 혁명이 이루어졌고 전자기학이 탄생했는가를 체계적으로 알려준다.

아울러 전기와 전자기학을 기반으로 반도체 기술, 유무선 통신 기술이 어떻게 개발되어 왔고, 최근에는 양자역학으로 어떻게 이어져 왔는가를 알기 쉽게 안내하고 있다.

따라서 과학기술에 많은 관심을 가진 이들에게 이 책을 숙독하기를 추천한다. 특히 과학기술적 호기심에서 출발하여 핵심 문제를 도출하고 정확하게 정의하며, 창의적 ㆍ 융합적 사고 및 융합적 협력 연구를 통해 해법을 찾고자 하는 과학기술자들에게, 이 책이 좋은 안내서가 될 것이다.

 

최준균 (KAIST 전기및전자공학부 교수)

전기의 요정》은 전기 및 자기 측면에서 과학의 역사를 다시 조명한 책이다. 인간이 전기나 자기 현상을 발견하는 과정을 통하여 과학적 발명의 역사를 다시금 살펴볼 수 있다. 생성형 AI 시대를 맞이하고 있는 현시점에서 인간이 ‘새로운 과학적 사고 전환’을 생각할 수 있는 중요한 지침서가 될 것이다. 이 책을 통하여 과학적 사고 능력을 기르고, 과학적 발견의 역사에 대하여 흥미를 가질 수 있을 것으로 기대한다.

 

김찬기 (전력연구원 수석연구원)

‘전기의 요정’이라는 제목에서 다소 생소한 느낌과 기대감을 동시에 느꼈다. 결과적으로 평소에 내가 하고 싶었던, 그리고 한 번 정도는 출판되었으면 했던 그런 책이었다. 전기는 ‘신이 인류에게 선물한 최고의 선물’이다. 오랜 역사에 걸쳐 발견과 발명, 수학과 실험을 통해 전기를 퍼즐과 같이 하나하나 풀어냄으로써 현재의 거대한 문명의 탑을 쌓아온, 수많은 요정들의 이야기! 전문가가 읽어도 좋고 비전문가가 읽어도 좋은, 정말 재미있는 책이기에 독자들에게 자신 있게 권하고 싶다.

전기는 현대 과학 문명 그 자체이고, 우리 일상생활과 산업 전반에 필수적인 역할을 하고 있다. 이 책은 전기의 역사와 일화 그리고 숨은 이야기를 시간연대적으로 흥미롭게 서술하였으며, 독자에게 새로운 시각과 깊은 사색을 제공한다.

저자는 이 책에서, 전기의 발견에서 전기가 대중화된 현대까지, 전기의 발전사에 중요한 기술과 기술을 개발한 인물 중심으로 이야기를 진행한다. 중요한 인물들의 생생한 인간적인 모습, 절망과 노력 그리고 눈물과 애환을 기술과 결합시켜 다루었으며, 제3자의 시점에서 그들을 평가하고 서술하였다.

특히 책을 읽으면서 감동한 지점은, 저자가 소개하는 전기의 요정들 중 다수가 태어날 때부터 무지개와 찬란한 태양 혹은 커다란 산줄기의 정기를 받고 태어난, 남들과 다른 사람이 결코 아니라는 점이다. 그들은 지진아이면서 불구자이고, 가난하면서 제대로 교육을 받지 못한, 학벌이 별로 좋지 않은 흙수저였다. 이러한 사실이 한국 사회에 울림을 주고, 우리에게 도전을 던져줄 수 있기에, 많은 이들에게 이 책을 권하고 싶다.

전기와 관련된 역사적 사실만이 아니라 인간 승리의 이야기까지도 다루며 우리의 삶에 긍정적인 메시지를 전할 수 있다는 점에서 특히 이 책이 돋보인다. 그 어떤 과학도 한 명의 천재에 의해 만들어진 것이 아니라, 거인의 어깨 위에서 조금씩 진보하였다는 사실! 저자는 이러한 진보의 사슬을 엮어서 하나의 스토리로 연결해낸다. 전문가의 관점에서도 기술이 완성되는 과정을 몹시 흥미롭게 읽을 수 있었다.

독자들이 바쁜 생활 속에서 잠시나마 시간을 내어 이 책을 읽어보고, 나를 돌아보고, 주변을 돌아보면서, 자신의 가능성을 발견하고, 자신을 사랑하는 계기가 되었으면 한다. 이렇게 좋은 책을 출판하는 것에 경의를 표하며, 또한 좋은 책을 추천할 수 있는 기회가 내게 주어진 것에 감사한다.