극이 하나뿐인 자석

이 세상에서 일어나는 여러가지 일들의 대부분을 설명할 수 있는 전자기학 이론은 맥스웰이 쿨롱, 암페어, 패러데이의 법칙을 모아서 만든 맥스웰 방정식으로 표현됩니다. 신기하게도, 맥스웰 방정식은 자석은 반드시 극이 2개가 있어야만 한다고 말하죠. 1개면 무슨 문제라도 생기는 걸까요?

극이 한개뿐인 자석은 물리학자들에게 대단히 매력적이고, 있을 법도 한데 발견이 안되는 것 중에 하나입니다. 맥스웰 방정식을 간략하게 설명하자면, 모두 4개의 방정식으로 이루어져 있는데 그중 2개는 "균질한 방정식"이고 나머지 2개는 "균질하지 않은 방정식"입니다. 균질하다는 것은, 가령 ax=0과 같이 x가 만족하는 방정식이 0이 되는 것이고, 균질하지 않다는 것은 ax=b와 같이 x가 만족하는 방정식이 0이 되지 않는 것을 뜻합니다. 여기서 균질하지 않은 방정식에 들어간 b와 같은 것이 우리가 말하는 "전기 전하"에 해당합니다.

만약, 균질한 방정식에 있는 0 대신에 다른 숫자를 넣는다면 어떻게 될까요? 이 자리에 0이 아닌 다른 숫자가 온다면 그것은 바로 "자기 전하"에 해당하고, 그 결과로서 반드시 "극이 1개뿐인 자석"이 존재해야만 합니다. 현재 우주에서는 극이 1개인 자석은 없거나, 혹은 거의 없기 때문에 균질한 방정식 부분의 우변은 0이라고 봐도 무방한 것이겠죠.

처음에, 극이 하나뿐인 자석을 발견했다고 주장한 사람은 독일의 과학자인 에렌하프트입니다. 그는 1945년에 피지컬 리뷰지에 자신의 실험에서 그것이 나왔다고 주장했습니다. 하지만 그 실험은 설계가 잘못된 것으로 밝혀져서 받아들여지지 않았습니다.

극이 하나뿐인 자석에 관한 이론을 가장 처음으로 완성한 사람은 유명한 물리학자 폴 디랙입니다. 1931년에 최초로 논문을 발표했고, 이후 1948년에 완성된 논문을 발표했죠. 이 논문에서 그는 만약 자기 전하가 존재한다면 그 크기는 전기 전하의 역수에 비례해야 한다는 사실을 이야기 했습니다. 전기 전하는 대단히 작기 때문에 자기 전하는 반대로 대단히 커지게 되겠죠. 대략 10000배 정도 커지게 됩니다. 또한, 자기 전하가 우주에서 어떻게 움직여 나가게 되는지 이론적으로 명확하게 설명할 수 있었습니다.

이후 여러 실험들이 계속되었지만 그 결과는 극이 하나뿐인 자석의 존재를 부정하는 실험뿐이었습니다.

가장 최근에는 2002년에 이탈리아의 MACRO 입자 검출기에서 관측된 결과인데, 그 결과로부터 알 수 있는 것은 극이 하나뿐인 자석 입자가 우주에서 날아올 확률이 1년에 0.00000001개 정도, 즉 1억년~10억년 정도에 지구에 1개가 오는 정도의 결과라고 합니다. 또한, 빅뱅 이론과 인플레이션 이론으로부터 예측되는 밀도가 우주 전체에 1개 정도가 있을 정도라고 하니까, 아무래도 못보고 지나갈 것 같군요.