전자기파는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 공간을 전파하는 파동으로 라디오파부터 감마선까지 다양한 형태로 존재합니다. 우리 눈에 보이는 가시광선은 전자기파 스펙트럼의 극히 일부일 뿐이며, 보이지 않는 전자기파들이 통신, 의료, 천문학 등 현대 문명의 거의 모든 분야에서 활용되고 있습니다. 오늘은 전자기파의 스펙트럼, 우리 세계를 비추는 모든 빛의 정체에 대해서 살펴보겠습니다.
맥스웰 방정식이 예언한 보이지 않는 파동
19세기 중반까지 전기와 자기는 별개의 현상으로 여겨졌습니다. 하지만 패러데이와 앙페르의 실험들은 전기와 자기가 서로 연결되어 있음을 보여주었습니다. 전류가 흐르면 자기장이 생기고, 자기장이 변하면 전류가 유도됩니다. 1865년 제임스 클러크 맥스웰은 이 모든 현상을 통일하는 4개의 방정식을 완성했습니다. 맥스웰 방정식은 전기와 자기가 하나의 전자기장으로 통합될 수 있음을 보여주었습니다. 더 놀라운 것은 이 방정식이 파동 방정식의 형태를 가진다는 점이었습니다. 전기장이 변하면 자기장을 만들고 자기장이 변하면 다시 전기장을 만들면서 서로를 재생산하며 공간으로 퍼져나갑니다. 맥스웰이 계산한 이 파동의 속도는 초속 약 30만 킬로미터로 당시 측정된 빛의 속도와 정확히 일치했습니다. 맥스웰은 빛이 바로 전자기파라는 대담한 결론을 내렸습니다. 이것은 광학과 전자기학을 하나로 통합하는 획기적인 발견이었습니다. 1888년 하인리히 헤르츠는 실험실에서 전자기파를 인공적으로 생성하고 검출하는 데 성공했습니다. 그는 스파크를 발생시켜 전자기파를 만들고 멀리 떨어진 수신 안테나에서 이를 감지했습니다. 헤르츠의 실험은 맥스웰 이론을 확증했고 무선통신의 시대를 열었습니다.
보이지 않는 영역에 숨겨진 전자기파의 세계
라디오파에서 마이크로파까지
전자기파 스펙트럼은 파장에 따라 구분됩니다. 가장 긴 파장을 가진 것이 라디오파입니다. 파장이 수 킬로미터에서 수십 센티미터까지 다양하며 주파수는 수 킬로헤르츠에서 수백 메가헤르츠입니다. AM 라디오는 중파를, FM 라디오는 초단파를 사용합니다. 라디오파는 회절이 잘 되어 산을 넘고 건물을 통과할 수 있어 장거리 통신에 적합합니다. 텔레비전 방송, 휴대전화, 무선 인터넷 모두 라디오파의 서로 다른 주파수 대역을 사용합니다. 정부는 이 귀중한 전파 자원을 관리하고 간섭을 방지하기 위해 주파수를 할당합니다. 마이크로파는 파장이 수 밀리미터에서 수십 센티미터인 전자기파입니다. 전자레인지는 2.45기가헤르츠 마이크로파로 물분자를 진동시켜 음식을 가열합니다. 물분자가 이 주파수에서 에너지를 잘 흡수하기 때문입니다. 레이더는 마이크로파를 물체에 쏘아 반사파를 분석하여 거리와 속도를 측정합니다. 항공기 관제, 기상 관측, 속도 단속에 사용됩니다. 위성통신과 GPS도 마이크로파 대역을 이용합니다. 천문학에서는 우주배경복사를 마이크로파로 관측하여 빅뱅의 흔적을 연구합니다. 1965년 펜지어스와 윌슨이 발견한 우주배경복사는 빅뱅 이론의 결정적 증거가 되었습니다.
적외선, 가시광선, 자외선
적외선은 파장이 약 1밀리미터에서 700나노미터 사이인 전자기파입니다. 모든 물체는 온도에 따라 적외선을 방출합니다. 상온의 물체도 적외선을 냅니다. 적외선 카메라는 이를 감지하여 온도 분포를 영상화합니다. 야간 투시경, 건물 단열 검사, 의료 진단에 활용됩니다. 리모컨도 적외선을 사용하여 신호를 전달합니다. 천문학에서는 차가운 먼지구름이나 탄생 중인 별을 적외선으로 관측합니다. 제임스 웹 우주망원경은 주로 적외선 영역에서 작동하도록 설계되었습니다. 가시광선은 파장 약 400나노미터에서 700나노미터 사이로 인간의 눈이 감지할 수 있는 유일한 전자기파입니다. 보라색이 가장 짧고 빨간색이 가장 깁니다. 태양 복사의 대부분이 이 영역에 집중되어 있으며 이것이 우리 눈이 이 범위에 민감하게 진화한 이유입니다. 식물의 광합성도 주로 가시광선을 이용합니다. 자외선은 파장이 약 10나노미터에서 400나노미터인 전자기파로 가시광선보다 에너지가 높습니다. 태양 자외선의 대부분은 오존층에 흡수되지만 일부는 지표에 도달합니다. 적당량은 비타민D 합성에 필요하지만 과다 노출은 피부암을 유발합니다. 자외선은 살균 효과가 있어 정수나 소독에 사용됩니다. 형광등은 수은 증기가 방출하는 자외선을 형광물질로 가시광선으로 변환합니다.
X선과 감마선의 투과력
X선은 파장이 약 0.01나노미터에서 10나노미터인 고에너지 전자기파입니다. 1895년 빌헬름 뢴트겐이 우연히 발견했습니다. X선은 물질을 투과하는 능력이 뛰어나지만 밀도가 높은 물질에는 더 많이 흡수됩니다. 뼈는 X선을 많이 흡수하고 근육은 투과시키므로 뼈의 영상을 얻을 수 있습니다. 의료 진단에 혁명을 일으켰고 뢴트겐은 최초의 노벨 물리학상을 받았습니다. CT 스캔은 여러 각도에서 X선 영상을 찍어 3차원 재구성을 합니다. 공항 보안검색대도 X선으로 짐 내부를 투시합니다. X선 결정학은 X선의 회절 패턴으로 분자 구조를 밝힙니다. DNA 이중나선 구조도 이 방법으로 발견되었습니다. 천문학에서 X선은 매우 뜨겁거나 격렬한 천체에서 나옵니다. 블랙홀 주변의 강착원반, 초신성 잔해, 중성자별이 강한 X선을 방출합니다. 감마선은 파장이 0.01나노미터보다 짧은 가장 에너지가 높은 전자기파입니다. 핵붕괴나 입자 소멸 같은 고에너지 과정에서 방출됩니다. 투과력이 극히 강해서 두꺼운 납이나 콘크리트로 차폐해야 합니다. 의료에서는 암 치료에 감마선을 이용합니다. 감마나이프는 뇌종양에 감마선을 집중 조사하여 수술 없이 제거합니다. 우주에서는 감마선 폭발이 관측됩니다. 이것은 우주에서 가장 격렬한 폭발로 초대질량 별의 붕괴나 중성자별 충돌에서 발생합니다.
전자기 스펙트럼이 여는 과학기술의 무한한 가능성
전자기파의 다양한 영역은 각각 독특한 특성과 응용을 가집니다. 파장이 길수록 회절이 잘 되고 장애물을 돌아가지만 정보 전송 속도가 느립니다. 파장이 짧을수록 직진성이 강하고 정밀한 영상을 얻을 수 있지만 장애물에 막힙니다. 5G 통신은 밀리미터파를 사용하여 초고속 데이터 전송을 하지만 건물 투과력이 약해 더 많은 기지국이 필요합니다. 광섬유 통신은 적외선 영역의 빛을 사용하여 초당 테라비트급 데이터를 전송합니다. 빛이 유리 섬유 내부에서 전반사하며 장거리를 손실 없이 전파됩니다. 대륙간 해저 케이블도 광섬유로 이루어져 있습니다. 리모트 센싱은 인공위성이나 항공기에서 다양한 파장의 전자기파로 지표를 관측합니다. 가시광선으로는 지형을, 적외선으로는 식생 분포를, 마이크로파로는 지하 수분을 파악합니다. 기후 변화 연구, 재해 감시, 자원 탐사에 필수적입니다. 분광학은 물질이 방출하거나 흡수하는 전자기파의 스펙트럼을 분석하여 화학 조성을 알아냅니다. 별빛의 스펙트럼으로 별의 온도, 조성, 운동을 알 수 있습니다. 외계행성 대기도 통과하는 별빛의 스펙트럼으로 연구합니다. 전자기파는 양자역학적으로는 광자라는 입자입니다. 이 파동-입자 이중성은 현대 물리학의 토대이며 레이저, LED, 태양전지 같은 기술의 원리입니다. 맥스웰이 통합한 전자기 이론은 아인슈타인의 상대성이론으로 이어졌고 결국 시공간의 본질에 대한 이해를 바꿨습니다. 전자기파 스펙트럼은 단순한 물리 현상을 넘어 현대 문명의 신경계이자 우주를 관측하는 창이며 미래 기술의 무한한 가능성을 품고 있습니다.