자기의 특성(자기의 홀극의 중요성)

자기의 특성(자기의 홀극의 중요성)

자기의 특성(자기의 홀극의 중요성)

자기라고 하는 건 자석에서 일어나는 현상 이런 건데요. '전기' 이야기하는 것처럼 '자기' 이렇게 이야기할 수 있겠습니다. 그래서 이제 자기 현상이 일어나는 것은 자석에서 'N극과 S극이 있다. ' 이렇게 우리가 배우고 그다음에 'N극은, 같은 극은 서로 밀어내고 다른 극은 서로 잡아당긴다. ' 이렇게 배우는데요. 이런 것이 바로 자기 현상이죠. 그래서 자기는 전기하고 일단 비슷한 점이 있습니다. 무엇이냐 하면 전기 하고 마찬가지로 두 가지 종류가 있죠. 전기에선 그 두 가지 종류를 플러스와 마이너스로 이렇게 이름을 붙였지만 자기에서는 그것을 N극과 S극으로 이름을 부릅니다. 그리고 또한 N극과 N극은 서로 밀어내고 S극과 S극은 서로 밀어내고 그리고 N극과 S극은 서로 잡아당긴다는 것이 전기에서 같은 부호는 서로 밀어내고 다른 부호는 잡아당기는 것과 같은 성질이 되겠습니다. 이렇게 같은 성질도 있지만 전기와 차이점도 있습니다. 전기에서는 거의 대부분의 입자가 한 종류 밖에 없습니다. 즉, 예를 들면 전자는 음전하를 가지고 있고 양성자는 양전하를 가지고 있습니다. 이렇게 서로 다른 두 가지 종류의 전하가 있지만 어떤 특정한 입자는 플러스만 가지고 있든지 마이너스만 가지고 있든지 둘 중에 하나만 가지고 있죠. 그런데 거기에 비해서 자석은 지금까지 단 하나의 예외도 없이 모든 자석이 N극과 S극을 같이 가지고 있습니다. 즉 N극만 가지고 있는 자석이 없고 S극만 가지고 있는 자석이 없다는 거죠. 그래서 이걸 우리가 물리학적으로 '자기 홀극이 없다. '이렇게 이야기를 합니다. 자기 홀극이라고 할 때 '홀'이라고 것은 하나라는 뜻이죠. 그래서 전기의 경우에는 같은 식으로 표현을 하자면 전기 홀극만 있는데, 주로, 자기의 경우에는 자기의 홀극이 없습니다. 이론적으로는 없어야 될 이유가 아무것도 없습니다. 그리고 사실은 지금까지 자기 홀극이 단 한 번도 발견되지 않았음에도 불구하고 물리학자들은 아주 오랜 세월 동안, 거의 백 년 가까운 세월 동안 자기 홀극에 대해서 연구를 하고 있습니다.

자기 홀극의 중요성

지금은 사실 우주의 근본 이론을 연구할 때 이 자기 홀극이 굉장히 중요한 역할을 합니다. 그럼에도 불구하고 우리가 살고 있는 현재 이 우주에 자기 홀극이 하나도 발견되지 않은 것은 뭔가 설명을 해야 되는 거죠. 이론이 틀렸거나 아니면, 이론은 옳은데 지금 자기 홀극이 발견되지 않으려면 뭔가 심오한 다른 이유가 있거나 둘 중 하나이겠죠. 그래서 지금 현재 물리학자들은 자기 홀극이 없는 것이 우리 우주의 특성을 결정하는, 혹은 우리 우주의 이론을 만드는 아주 중요한 단서라고 생각을 하고 그러한 자기 홀극이 없는 우주를 설명하기 위해서 우주론 이론을 만들 때 아주 중요한 성질로서 제한조건으로 부여를 하고 있습니다. 그런데 자기의 경우에도 전기와 마찬가지로 우리가 자기장과 자기력선을 그릴 수 있습니다. 그리는 방법은 마찬가지인데요. 작은 자석을 가져다 놓고 어떤 점에서 그 자석이 받는 힘의 방향으로 자기장을 그리면 되겠습니다. 그렇게 그리면 아마 여러분들이 초등학교 때 다 실험을 해보셨을 텐데요. 자석을 갖다 놓고 그 주변에 철가루를 놓으면 철가루가 자연스럽게 어떤 방향을 형성하게 되는데 형성하는 방향으로 우리가 자기장을 그리면 되는 거죠. 그렇게 자기장을 그리면 자기장의 화살표를 따라서 선을 연결할 수가 있고 그 연결한 선을 우리가 자기력선이라고 부를 수가 있겠습니다. 자기력선을 그리면 어떤 식으로 자기력선이 그려지게 되느냐면 N극에서 S극으로 화살표가 나가는 방향으로 자기력선을 그릴 수가 있겠죠. 그다음에 우리가 자석 하면 가장 친숙한 자석이 지구죠. 여러분들이 다 나침판을 이용해서 북쪽과 남쪽을 정하는 걸 다 알고 있을 텐데요. '나침판의 N극이 가리키는 방향이 북쪽이고 S극이 가리키는 방향이 남쪽이다. '다 이렇게 알고 계십니다. 그리고 물론 나침판은 아주 작은 자석인 거죠. 그러면 지구 자체가 하나의 거대한 자석인데 지구는 그러면 나침판이 N극이 북쪽을 가리키고 그러니까 지구도 자석으로 생각했을 때 북극이 자석의 관점에서 보면 N극이고 남쪽이 S극이 아닌 가 이렇게 생각하기가 쉬운데 사실은 그렇지 않습니다. 왜냐하면 나침판의 N극이 북쪽을 가리킨다고 하는 것은 나침판의 N극이 북쪽으로 끌려간다는 뜻이죠. 그런데 북쪽으로 끌려가려면 북쪽에는 잡아당기는 것이 있어야 됩니다. 그 잡아당기는 것은 N극과 반대의 부호인 S극인 거죠. 그러니까 사실은 자석의 관점에서 보면 지구는 북쪽이 S극이 있고 남쪽에 N극이 있습니다. 그래서 우리가 언뜻 생각하기에 북쪽은 무조건 N극 이렇게 생각하기가 쉬운데 사실은 그렇지 않고 자석만 놓고 보자면 지구는 S극이 북쪽이고 N극이 남쪽입니다. 그러면 왜 하필이면 S극이 북쪽이고 N극이 남쪽이냐 어떤 원리가 있는 것이냐, 이건 그런 거 없습니다. 지금 현재 우리가 살고 있는 이 시대에서 S극이 북쪽이고 N극이 남쪽인 것이지 지구의 역사를 놓고 보면 어떤 경우에는 이게 완전히 뒤바뀐 경우도 있다고 합니다.

백만 년에 한 번 바뀌는 S극

백만 년에 한 번 정도 바뀐다고 하는데요. 지금 우리가 살고 있는 이 시대가 하필이면 S극이 북쪽에 있는 것일 뿐입니다. 또한 우리는 북극, 남극 이야기를 할 때 북쪽, 남쪽 이야기를 할 때 그냥 나침판이 가리키는 방향이 무조건 북쪽 이렇게 생각을 하는데요. 엄밀하게 이야기하자면 지구의 북극과 남극은, 자석의 의미로서 북극과 남극과는 다릅니다. 그래서 자석으로 생각했을 때 자석의 S극 지점과 그다음에 진짜 지리상의 북극과는 사실은 약간의 차이가 있습니다. 그래서 그런 걸 우리가 자석의 북극과 자석의 남극을 자북극, 자남극 이렇게 이야기를 하고 나침판을 가지고 정확하게 북극과 남극을, 북쪽과 남쪽을 정할 순 없습니다. 그렇지만 지금 현재 거의 방향이 비슷하기 때문에 그냥 우리가 나침판의 방향을 북쪽이라고 이야기를 합니다. 그렇지만 엄밀하게는 지역에 따라서 나침반이 가리키는 방향이 실제 북극과는 꽤 차이가 있을 수도 있기 때문에 그런 걸 다 보정을 해서 우리가 사용하게 됩니다.