제임스 클러크 맥스웰

James Clerk Maxwell

"그의 업적은 뉴턴 이후 가장 심원하고 풍성한 물리학의 성과"

많은 물리학자들에게 20세기 물리학에 가장 큰 영향을 끼친 19세기 과학자 중에 한 명으로 평가받는 맥스웰. 그의 업적은 알베르트 아인슈타인이나 아이작 뉴턴과 견주어 지고 있다. 영국 BBC는 2000년도를 맞아 가장 큰 업적을 남긴 과학자 100명을 선정하면서 아인슈타인과 뉴튼에 이어 맥스웰을 3위로 꼽았다.

아인슈타인은 맥스웰 탄생 100주년을 기념하여 "그의 업적은 뉴턴 이후 가장 심원하고 풍성한 물리학의 성과"라고 평했다. 실제 아인슈타인은 자신의 연구실 벽에 뉴턴과 마이클 패러데이의 초상화와 함께 맥스웰의 사진을 걸어두었다고 한다. 오늘(11월 5일)은 맥스웰이 세상을 떠난 날이다.

제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, FRS, 1831년 6월 13일 ~ 1879년 11월 5일)은 스코틀랜드의 에든버러에서 태어난 영국의 이론물리학자이자 수학자이다. 그의 가장 중요한 성과는 전기 및 자기 현상에 대한 통일적 기초를 마련한 것이다. 전기와 자기를 단일한 힘으로 통합해 뉴턴 역학과 함께 과학 발전의 초석이 되었다. 맥스웰의 전자기학의 확립은 19세기 물리학이 이룩한 성과로 높게 평가받고 있다.

수학에 뛰어났던 그가 기존에 존재했던 패러데이의 유도 법칙, 쿨롱의 법칙 등 전자기 이론을 수식적으로 정리하여 나타낸 식이 ‘맥스웰 방정식’ 이다. 이 방정식은 전자기학의 기초가 되는 미분 방정식으로 이는 볼츠만의 통계역학과 함께 19세기 물리학이 이룬 큰 성과로 높이 평가받고 있다.

맥스웰이 도달한 전자기장 방정식은 네 개의 식으로 이루어졌다. 

첫 번째 맥스웰 방정식은 가우스 법칙이며, 쿨롱의 법칙을 일반화 한 식이다. 전하를 둘러싼 임의의 폐곡면을 나가는 전기력선의 수는 폐곡면 내부의 알짜 전하에 의해 결정된다는 식이다. 두 번째 맥스웰 방정식 가우스 자기 법칙이며, 임의의 폐곡면을 통과하는 자기 선속이 0임을 의미하며, 이에 따라 N극 또는 S극이 따로 존재하는 이른바 자기 홀극은 존재하지 않는다.

세 번째 맥스웰 방정식은 패러데이의 유도 법칙이다. 자속 밀도의 시간에 따른 변화는 전기장을 생성한다는 내용의 식이다. 네 번째 맥스웰 방정식은 변위 전류에 의해 수정된 앙페르 회로 법칙으로, 맥스웰은 에테르에 대한 가정으로 변위 전류에 대한 개념에 도달하였다.

이 방정식 속에 구현된 맥스웰의 장이론은 19세기 전자기 이론을 마무리지었고, 이 이론은 20세기까지 영향력을 발휘하였다. 아인슈타인은 맥스웰 방정식에서 공간과 시간의 개념을 과감하게 혁신할 실마리를 찾았고, 그 다음에 맥스웰의 전자기장 이론을 따라 자신의 일반 상대성 이론을 만들었다. 현대에 와서는 양자장론이 입자 물리학의 기둥이 되었다.

맥스웰은 전기장과 자기장이 공간에서 빛의 속도로 전파되는 파동을 이룰 수 있음을 증명하였다. 맥스웰은 이를 바탕으로 연구를 계속하여 1864년 <전자기장에 관한 역학 이론>을 발표하여 빛이 전기와 자기에 의한 파동, 즉 전자파라는 것을 증명하였다. 맥스웰의 연구 성과는 전자기학의 성립에 큰 영향을 주었다.

그 외에도 맥스웰은 기체의 분자운동에 관한 연구에서 분자의 평균 속도 대신 분자의 속도 분포를 고려하여 속도 분포 법칙을 만들고 확률적 개념을 시사해 통계역학의 기초를 닦았다. 맥스웰의 전자기학 연구 성과와 기체 운동 연구는 이후 특수 상대성 이론과 양자 역학의 성립에 영향을 주었다.

맥스웰은 컬러 사진을 최초로 만든 사람이기도 하다. 맥스웰은 1861년 삼원색의 혼합으로 모든 색을 표현할 수 있다는 것을 응용하여 컬러 사진을 제작하였다.

알베르트 아인슈타인은 맥스웰을 두고 다음과 같이 평했다.

"맥스웰 이전에 사람들은 물리적 실재를 물질의 점으로 생각했다. 그 변화는 운동만으로 구성되어 전미분방정식을 따르는 것이었다. 맥스웰 이후로사람들은 물리적 실재가 연속적인 장으로 나타난다고 생각했는데, 이것은 역학적으로 설명할 수 없고 편미분 방정식을 따른다. 실재의 개념에 관한 이러한 변화는 뉴턴 이후 물리학의 가장 심대하고 가장 풍성한 수확이다."

"물리학은 맥스웰 이전과 이후로 나뉜다. 그와 더불어 과학의 한 시대가 끝나고 또 한시대가 시작되었다."

맥스웰의 친구이자 그의 평전을 집필한 루이스 캠벨(Lewis Campbell)은 맥스웰에 대하여 다음과 같이 적었다.

"그(맥스웰)는 인간이 인식하는 주도적인 물리 법칙의 거대한 확실성을 줄이려고 끊임없이 노력했다. 마치 습관적으로 무한한 것들과 신비로운 교류를 하고 있는 것 같았다."

마이클 패러데이는 맥스웰에게 다음과 같이 적었다.

"당신의 연구는 나에게 기쁨을 주었으며, 이 주제를 다룰 정도로 뛰어난 당신의 수학적 재능에 감탄했고, 그 다음에는 이 주제가 그렇게 정연한 것에 놀랐습니다." (출처: 위키백과)