빛이라는 본질에 대해서 더 알아보기 위해서는 전기와 자기에 대해서 알아봐야 합니다. 이전까지 전기와 자기는 전혀 다른 분리된 현상이라고 생각을 했습니다. 하지만 여기에는 전자기 현상의 비밀이 숨겨져 있습니다.
맥스웰이 생각한 전자기 현상
분명한 것은 전기력과 자기력은 서로 영향을 끼치는데 어떻게 움직이는지는 아무도 알지 못했습니다.
맥스웰은 그 힘이 어떻게 작용하는지 궁금해 했습니다. 그것을 설명하기 위해서 맥스웰은 전자기장이라는 가상의 역학적 모델을 만들었습니다.
맥스웰은 물체와 물체 사이의 빈 공간을 주시하고는 그 공간에 가상의 셀이 가득차있다고 생각했습니다.
이 셀은 밀도가 매우 낮지만 아주 작고 밀폐된 구형의 셀입니다. 만약에 이 셀이 회전을 할 수 있다면 어떤 일이 벌어질까요?
당시의 사람들은 아무것도 없는 공간, 즉 빈 공간에 눈에 보이지 않는 에테르라는 물질이 가득차 있다고 생각했습니다. 맥스웰은 그것을 회전하는 셀로 상상했습니다.
전자기 현상에 대한 맥스웰의 가상 모델
맥스웰은 이 가상 모델로 전기와 자기의 상호작용을 설명해보려고 했습니다. 가능성은 충분해보였습니다. 셀이 회전을 하게 되면, 가운데가 부풀면서 회전축이 줄어들게 됩니다. 그리고 점점 빠르게 회전을 합니다.
자기장은 셀의 회전축에 따라 작용합니다. 그런데 여기에는 두 가지의 문제점이 있습니다.
무엇이 셀을 회전하게 만드는지가 설명되어야 했습니다. 또 다른 하나는 셀이 서로 회전하면 셀의 표면이 맞부딪쳐 서로를 거추장스럽게 문지른다는 것이었습니다. 맥스웰은 이것을 한가지로 해결해 버렸습니다.
빈 공간에 힘이 있으려면 셀이 움직여야 합니다. 그래서 맥스웰은 셀 사이에 구형 유동바퀴를 넣습니다.
이때의 유동바퀴를 전하라고 생각해 봅시다. 셀 사이의 경로를 따라 움직이는 전하는 전류를 만들어 냅니다. 전류가 셀을 회전시킵니다.
그런데 여기서 한가지 설명이 되지 않는게 있었습니다. 전하 사이의 힘이었습니다.
두 개의 전하는 거리의 제곱에 반비례하는 힘에 의해 밀치거나 끌어당기는데 이 세로 모델을 가지고서는 그것을 설명할 수가 없었습니다. 그는 가상 모델을 버릴 수밖에 없었습니다.
탄성과 전자기파의 관계
하나의 물체처럼 각각의 셀이 회전하려면 작은 셀을 형성한 물질이 탄성을 가지고 있어야 합니다.
탄성이란 외부의 힘을 받았을 때 부피와 모양이 바뀌었다가 그 힘이 없어지면 다시 본래의 모양으로 되돌아가는 성질을 말합니다.
이 탄성이 여태 설명할 수 없는 전하 사이의 힘의 원천을 설명해 주는 것이라고 생각했습니다.
탄성을 지닌 모든 물질은 파동을 전달합니다. 모든 공간에 충만한 셀의 결합체가 모두 탄성을 지녔다면 어떻게 될까요? 그렇다면 셀의 결합체는 파동을 지니고 있을 것입니다.
만약에 한쪽에서 교란이 일어나면 어떻게 될까요? 셀 하나를 건드려 한 쪽에서 교란이 일어나면 그 움직임은 다른 셀로 퍼져나가 파동을 만들게 됩니다.
이웃하는 셀을 통해서 유동바퀴 한 열에서 일어난 순간적인 흐름은 주변의 유동바퀴 열로 전달될 수 있습니다. 셀은 그 순간적인 흐름을 잠깐 지연시켰다가 전달하는데 그것은 셀이 관성을 지니고 있기 때문입니다.
순간적인 흐름은 잔물결처럼 퍼져나가게 됩니다. 전기장에서 일어난 어떤 변화는 모든 공간에 파동을 보낼수가 있습니다. 이것이 바로 전자기파입니다.
맥스웰은 이것을 전자기파 파동이라고 생각했습니다. 아무것도 없는 빈 공간에 어떤 힘의 물결인 전자기파가 생긴 것입니다.