제3권: 전자기학 — 전기, 자기, 빛

Chapter 1: 전기의 세계

1. 전하와 전기력

1-1. 전하란 무엇인가

새로운 여정의 시작 — 보이지 않는 힘

겨울날, 스웨터를 벗다가 "탁!" 하고 정전기가 일어난 경험이 있는가? 어두운 곳에서라면 파란 불꽃까지 보인다. 문고리를 잡는 순간 손끝이 찌릿하고, 머리카락이 빗에 붙어 사방으로 뻗치기도 한다.

이것은 단순한 일상의 소소한 불쾌함이 아니다. 이 작은 "탁!"에는 우주의 근본적인 비밀이 숨어 있다.

잠깐 생각해 보자. 제2권에서 우리는 역학을 배웠다. 뉴턴의 법칙으로 물체가 왜 움직이고, 에너지와 운동량이 왜 보존되며, 심지어 그 보존의 뿌리가 자연의 대칭성에 있다는 것까지 알게 되었다. 대단한 여정이었다.

그런데 역학만으로는 설명할 수 없는 일들이 있다.

• 스웨터를 벗을 때 왜 불꽃이 튀는가?
• 번개는 무엇이며, 왜 하늘에서 땅으로 떨어지는가?
• 스마트폰은 어떻게 빛을 내고, 신호를 보내고, 음악을 재생하는가?
• 우리 몸에서 심장이 뛰고, 뇌가 생각하는 것은 어떤 힘 덕분인가?

이 모든 현상의 배후에는 중력과는 전혀 다른 종류의 힘이 있다. 바로 전기력이다. 그리고 전기력을 이해하려면, 먼저 한 가지 근본적인 질문에 답해야 한다.

"전기 현상의 원인은 무엇인가? 어떤 물체에는 전기적 성질이 있고, 어떤 물체에는 없는 것처럼 보이는데 — 그 차이는 어디서 오는가?"

이 질문에 대한 답이 바로 전하(電荷)다. 전하는 전자기학 전체를 떠받치는 가장 기본적인 개념이다. 이 절에서 우리는 전하가 무엇이고, 어떤 성질을 가지며, 왜 그것이 물리학에서 그토록 중요한지를 알아볼 것이다.