현대문명을 유지하는 중요한 과학기술이 많습니다. 가장 중요한 것 중 하나는 전기일 것입니다. 전기에 대한 이야기는 예전에 마이클 패러데이의 역발상에 대한 글을 통해 말씀드렸습니다. 그의 역발상을 짧게 설명드리면 다음과 같습니다.

전기가 흐르는 전선 근처에 나침반을 두면 나침반이 움직입니다. 전기와 자기가 상호 연결되어 있다는 사실을 파악하게 된 것입니다. 뉴튼의 만유인력법칙에 따라 공간 상에 어떤 장이 형성되어 힘을 전달하고 있었다는 것을 이미 이해한 인류이기에 전기와 자기가 어떤 장(場, Field)에서 연결되어 있다는 것도 이해할 수 있었습니다. 여기에 마이클 패러데이는 전기가 자기를 움직이면 반대로 자기를 방출하는 자석을 움직이면 전기가 흐리지 않을까 하는 역발상은 한 것입니다. 그의 역발상 아이디어는 인류가 전기를 생산해내는데 결정적인 기여를 하게 되었고, 인류는 전기시대를 맞이할 수 있게 되었습니다. 제2차 산업혁명을 딱 2개 단어로 정리하면 전기와 철강입니다. 전기와 철은 자석으로 연결할 수 있습니다.

전통적인 발전, 즉 전기생산의 원리는 자석을 회전시키는(움직이게 만드는) 것입니다. 원자력은 핵분열에서 나오는 열에너지를 이용해 물을 끓인 후, 발생된 수증기로 터빈을 돌리는 겁니다. 수력발전은 물을 이용해서 물레방아를 회전시키는 겁니다. 화력이나 지열발전은 열이나 지열로 물을 끓여 수증기를 만들어 터빈을 회전시키는 겁니다. 풍력발전은 바람을 이용해 프로펠러를 회전시키는 겁니다. 파력발전은 파의 위/아래 움직임을 회전운동을 바꾸는 장치를 넣어서 결국 자석을 회전시키는 겁니다. 태양광발전은 원리가 좀 다릅니다. 빛을 쬐면 전자를 발생시키는 다이오드(Diode)를 이용합니다. 다이오드는 일종의 반도체입니다. 전자의 흐름이 전기이므로 전자를 마구 만들어 흐르게 해서 발전을 하므로 전통적인 발전 방식과는 다릅니다.

자석의 용도는 너무 많아서 열거하기도 힘듭니다. 출근하실 때 아마도 이어폰으로 다양한 동영상을 보실텐데, 이어폰은 스피커이기 때문에 좌석이 들어가 있습니다. 이어폰을 충전기 새들에 안착시켜 유실을 방지하는 것도 자석입니다. 동영상 강의에 사용하는 마이크에도 자석이 있습니다. 우리가 알고 있는 자석말고도 산업현장과 각종 전자기기에는 다양한 형태의 영구자석과 전자석이 있습니다. 놀이기구인 자이로드롭에도 자석이 있습니다. 우리의 소중한 핸드폰의 위쪽과 아래쪽에 스피크와 마이크가 있으므로 여기에도 자석이 있습니다. 자석을 이용해서 전기를 만든다고 했으니 전기자동차 엔진인 모터에도 자석이 들어있겠습니다.

너무나 흔히 빠진 자석. 그런데 자석이 어떤 원리를 가지는지에 대해서는 관심이 없습니다. 대부분의 과학과 기술에 대해서 관심이 없기에 자석이 그리 주목을 끌 필요는 없기도 하고, 자석을 이해하는데 양자역학이 필요하니 쉽게 이해하기도 어렵습니다. Science는 자른다는 뜻의 Scire에서 나왔습니다. Scissor, 즉 가위와 같은 뿌리입니다. 여하간 과학은 자르는 겁니다. 자석을 이해하기 위해서는 계속 잘라보는 겁니다. 그런데 자석은 아무리 잘라도 N극과 S극의 자석이 유지됩니다. 마지막은 원자까지 잘라야 합니다. 원자는 원자핵과 전자가 있습니다. 원자핵과 전자를 잘라버리면 그때서야 자석이 사라집니다. 그러니 현대적인 도구가 없던 옛날 사람들이 자석을 과학해도 원리를 알아낼 수가 없었겠죠.

자석의 원리는 이렇습니다. 원자핵을 중심으로 전자가 궤도를 따라 회전합니다(이건 정확히는 틀린 말입니다. 전자가 궤도를 회전하지는 않습니다만, 약간 틀린 말로 설명해야 그나마 이해가 되니깐 이 방식을 사용하겠습니다. 우리가 초등학교때 배운 지식 중 일부는 틀린 것이 있습니다. 중고등학교 때 가서 이걸 바로잡습니다. 마찬가지로 대학에 가선 중고등학교 때의 지식 중 일부가 바로 잡히고. 심지어 대학에서 배운 것도 틀린 게 있는데 대학원에 가서 바로잡습니다. 근본적인 원리를 모른 채 이해못하는 것보다는 약간은 틀리지만 전반을 이해하는 게 더 낫다는 교육철학에 따른 것일 겁니다.)

전자는 음의 전기를 가진 물질입니다. 전기가 회전하면(움직이면) 뭐가 생긴다고요? 자기가 발생합니다. 자기장이 발생하는 것은 전자가 회전하기 때문인 것입니다.

여기서 질문이 있어야 합니다. 모든 물질은 원자로 구성되어 있고, 원자는 전자가 계속 회전하고 있으니 모든 물질은 자석이 되어야 하지 않느냐는 질문이어야 합니다. 신기하다는 것은 예상을 하지 못했다는 것이고, 예상을 못했다는 것은 질문하지 않았다는 것입니다. 거꾸로 돌리면 질문이 없으면 예상하지 못하고 예상하지 않으면 신기하지도 않고 신기하지도 않으면 변화가 없는 일상이고 변화가 없으면 삶의 의미가 없어지고…..

질문에 대한 답입니다. 그 전에 N극과 S극을 어떻게 구분하죠? 위쪽을 보통 N극으로 아래쪽을 S극으로 구분한 겁니다. 자연은 대칭이므로 N극과 S극의 방향이 정해지지 않지만 인간이 이해를 위해 구분한 겁니다. 오른쪽으로 돌면 N극이 위가 되고 왼쪽으로 돌면 N극은 아래쪽이 됩니다. 돈다고 했지만 방향은 정하지 않았습니다. 전자가 오른쪽 또는 왼쪽으로 원자핵 주변을 돌면서 자기장을 만드는데 방향이 정해지려면 하나가 추가되어야 합니다. 전자가 자전을 한다는 개념이 추론되었고 전자의 자전이 발견되었습니다. 전자의 자전을 스핀(Spin)이라고 합니다. 전자가 원자핵 주변을 도는 방향과 동시에 자전하는 방향에 따라 N극과 S극이 결정됩니다. 원자핵도 물질이므로 Spin이 있습니다. 즉 원자핵도 돕니다. 그래서 자기장이 나오기는 하는데, 원자핵의 자전은 느려서 거의 영향을 주지 않는다고 합니다.

제가 Spin을 자전이라고 했는데 이것도 틀린 이야기입니다. 이해를 위해서 자전이라고 한 겁니다. 일반상식으로 이해하기 어려운 회전이다 정도로만 하겠습니다. 일반적으로 어떤 물질이 회전해서 360도를 돌면 원위치가 됩니다. 그런데 720도 스핀을 가진 경우 360도를 돌아도 원위치가 안된다고 합니다. 어렵죠. 괜찮습니다. 다들 이해를 못하니깐요. 이를 구현하는 방법이 있습니다. 손에 물병을 들고 회전시켜 보십시오. 위쪽으로 회전시키면 팔이 꼬인상태에서 물병은 360도 돌아 원위치로 돌아옵니다. 꼬인 팔을 아래로 돌리면 팔도 풀리면서 물병도 회전합니다. 그래서 720도 회전해서 팔도 물병도 원위치로 돌아옵니다. 그런데 180도 스핀도 있으니깐 더 이상 이해하려고 고민하지 마십시오. 또 하나 더 어려운 이야기 하나 드립니다. 원자에 세계에서는 모든 상태가 중첩되어 있습니다. 우리가 관측할때만 정체를 드러냅니다. 스핀도 마찬가지로 중첩되어 있다가 우리가 관측하면 180도든, 360도든, 720도든 어떤 Spin 량이 보여집니다. 하하. 그만하겠습니다.

모든 물체가 자기장을 만들지 않는 이유는 전자들이 중구난방으로 자전하기 때문입니다. 오른쪽으로 자전하는 전자, 왼쪽으로 자전하는 전자가 막 섞여 있는 겁니다. 그래서 N극과 S극이 만나서 자기력이 상쇄되어 버리고(N극과 S극이 붙이면 짝 달라붙어 자성이 사라지는 것과 같은 이치입니다) 자기력이 원자밖으로 나가지를 못합니다. 그래서 대부분의 물질은 자석이 되지 않는 것입니다. 자철석은 철 중에서 자력이 강한 철인데, 자철석을 이루는 전자는 한쪽 방향으로 스핀하는 전자들이 대부분을 차지합니다. 이걸 물리에서 결이 맞는다고 합니다. 한쪽 방향으로 줄을 지어서 돌기 때문에 자기장이 강하게 발생하게 되고 자력이 생기고 결국 자석이 되는 것입니다.

또 하나의 질문은 왜 자기는 N극과 S극이 같이 존재할까요? 입니다. 전기는 양의 전기와 음의 전기가 따로 존재할 수 있습니다. 그런데 자석은 아무리 잘라도 N극과 S극이 존재합니다. 단극자(monopole)라고 하는 홀로 존재하는 것은 없습니다.(이것도 틀린 말입니다. 단극자는 이론적으로 분명히 존재하고 그걸 찾으면 우주의 생성원리를 알아낼 수 있다고 합니다). 질문을 조금 변경하면 왜 N극과 S극은 분리할 수 없을까요? 입니다. 자석의 근원은 돌고 있는 전자에서 나오기 때문에 N극과 S극을 따로 분리할 수 없다고 합니다. 전자가 움직이지 않으면 자기는 형성되지 않습니다. 그런데 전자가 움직이기 때문에 자기가 생깁니다. 이 답은 정확한 답은 아닙니다만, 너무 어려운 이론을 알아야 설명이 되므로 여기까지만 설명하겠습니다.

왜 스피커와 마이크에는 항상 자석이 있어야 할까요? 디지털파일인 mp3 파일은 01000100100 같이 새겨져 있습니다. 이를 디코딩을 하면 wav 파일, 즉 파형으로 바뀌게 됩니다. 파형은 전기신호의 일종입니다. 전기신호, 즉 전기는 크기와 방향을 가지고 있는데 이 크기와 방향에 따라 자기력이 발생하고 스피커에 붙어 있는 자석을 움직이게 만듭니다. 움직이는 자석은 다시 떨림판을 진동시킵니다. 떨림판은 보통 얇은 종이로 만들어져 있습니다. 진동하는 떨림판은 주변 공기분자를 때려서 음파를 만듭니다. 음파는 우리가 들을 수 있는 소리인거죠. 마이크는 이와 완전히 반대로 작동합니다. 마이크에 음파가 도달하면 떨림판과 이에 연결된 코일이 진동합니다. 떨림판과 (보이스) 코일이 영구자석 안에서 왕복 운동을 하면 코일 내부를 통과하는 자기장의 변동이 발생하겠죠. 자기장의 변동은 전기를 만들어 내고, 그에 따라 코일에는 전류가 흐르게 됩니다. 음파가 전기, 정확히는 전기파형으로 바뀌게 됩니다. 이 전기신호를 증폭해서 스피커에 보내면, 소리를 아주 크게 키워서 많은 사람이 들을 수 있게 됩니다.

물질이 많다보니 자석의 형태도 다양합니다. 강자성체, 상자성체, 반자성체로 분류할 수 있습니다. 강자성체는 일반 자석을 말합니다. 스핀이 한쪽 방향으로 정렬되어 있는 물질이죠. 대표적으로 철입니다. 그런데 일반 철은 자석이 아닙니다. 이는 철의 원자 구성이 중구난방이기 때문입니다. 그런데 자석을 대면 원자구성이 정렬을 하게 되고 자성이 강하게 나타납니다. 일단 자석이 된 철은 자석을 떼도 자성을 당분간 유지합니다. 초등학교때 클립으로 실험을 해보신 분도 있을 겁니다. 자성을 띤 클립을 만지면 손에 있는 정전기가 정렬된 스핀을 흐트러트리게 되어 그냥 철로 돌아갑니다. 상자성체는 자석을 갖다 대어도 스핀이 정렬되지 않는 물질입니다. 알루미늄에 자석이 붙지 않는 이유는 알루미늄이 상자성체이기 때문입니다. 마지막으로 반자성체입니다. 대표적인 반자성체 물질이 물(water)입니다. 수도꼭지에서 흐르는 물에 강한 자석을 갖다 대면 물이 휘게 됩니다. 자석으로 끌려오지 않고 반대방향으로 밀려납니다. 이 물질은 스핀이 반대로 정렬하는 물질인거죠. 참 희한한 세상입니다. 네오디뮴은 세상에 존재하는 물질 중에 가장 강한 자성을 보이는 재료입니다. 원자번호 60번입니다. 개구리는 몸의 80%가 물이기 때문에 네오디뮴 위에 조그만 개구리를 올리면 공중부양하게 만들 수 있을 정도입니다. 개구리 공중부양은 2000년 이그 노벨 물리학상을 받았습니다.

반자성체는 자이로드롭에 사용됩니다. 롯데월드 자이로드롭은 70m에서 자유낙하시키는 놀이기구입니다. 최대 하강속도는 94km/h 입니다. 2006년 저의 처음 SIE 발표에서 했던 이야기입니다. 정상까지 도달한 후 자유낙하 하는 통을 브레이크를 걸어서 정지시키는 것이 아닙니다. 브레이크가 고장이라도 나면 큰 사고로 이어질겁니다. 그런데 절대로 고장나지 않고 마지막에는 천천히 내려오게 되어 있습니다. 자석과 전기저항이 아주 적은 반자성체를 이용해서 타워를 만들어 빠른 속도로 내려오더라도 반대방향으로 작용하는 자기력이 발생하게 되어 멈추게 만드는 원리를 적용했기 때문입니다.

양자역학은 잘 모르지만 양자역학의 현상과 원리를 이용한 과학과 기술이 주변에 엄청나게 많습니다. 윤리의 아주 근원적인 원리 또는 진실은 잘 모르지만, 가까이 다가가려는 인간의 수많은 노력들이 있었습니다. 그리고 시대변화에 따라 다양하게 변화되고 활용되고 있습니다. 과거 외부성효과로 치부하여 비용에 산입하지 않던 자연의 혜택을 이제는 내부효과로 고려하기 시작한 ESG가 본격적으로 확산되고 있습니다. 윤리의 실체를 알아가는 노력과 병행해서 윤리가 경쟁력이 되는 원리와 방법을 열심히 찾아서 보다 더 나은 인간세상과 인류의 미래를 만들어 가야할 것입니다.