금누리 곳집

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2023/08/24(08:05) from Anonymous Host
작성자 : ㅏㄹ벭.ㅔㅣㄴㅅ테ㅣㄴ> 이광수	조회수 : 19 , 줄수 : 33

상대성원리

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민태기
8월 15일 오후 5:05 ·
사진은 1927년 춘원 이광수가 《동광》에 기고한 <아인스타인의 상대성 원리, 시간 공간 및 만유인력 등 관념의 근본적 개조> (사진출처: 한국사데이터베이스). 100년 전 대중과학의 수준을 알 수 있다. 아래는 본문
“세계대전 이후에 세목을 용동하던 「아인스타인」의 상대성 원리는 그의 동양 내방으로 그 유행의 절정에 달하였다가 그후에 모든 다른 유행과 마찬가지로 쇠퇴하고 말았으나 그의 발견한 진리는 허다의 과학적 발견과 함께 후대까지 남을 것은 의심 없는 사실이다.
그러면 상대성 원리란 과연 무엇을 포함한 것인가. 그 수학적 난관과 인식학적 신기로 인하여 보통 난해의 한 마디로 묻히고 마는 일이 많으니 세계에서 이를 완전히 이해하는 이가 12人에 불과하다는 「신화」까지 발생된지라, 그러나 이제 우리 보통인의 상식의 허하는 범위 내에서 이에 대한 개념이라도 얻을 수가 아주 없을 것은 아니라.
절대표준점?
운동이 상대적이라 하는 이론은 단순한 실례를 들어 알 수 있나니 가령 정거장에서 두 기차가 정지하였다가 인저 남행이 먼저 떠난다 하면 북행차에 있는 이는 남행이 가는 것 같고 남행차에 있는 이는 북행차가 떠나는 것 같은 것은 우리가 통상 경험하는 바라. 또 우리가 육안으로 볼 때에 일월성신이 우리를 둘어 매일 천상을 일주한다 하나 천문학상으로 보면 지구가 자전하는 것이니 지상의 사람을 표준하면 일월성신이 움직인 것이요 일월상의 관찰자로서 표준하면 지구가 회전한 것이라 그 상대성을 의심할 수 없도다. 그러하나 우리의 이성은 다시 말하기를 그렇지 않다는 것이라. 그 상대성이라 함은 이론뿐이요 실지에 있어서는 남행차가 절대적으로 움직인 것이요 지구가 절대적으로 회전한 것이니 차에 요동하는 것으로 전자를 입증하고 천문학상 관찰로 후자를 입증할 수 있다 할 것이라. 그러면 운동은 전혀 상대적이라 함은 일종의 궤변이요 실은 절대의 운동이 있는 것이라고 주장할 수 있지 아니한가. 이것이 과거 수 세기간 과학자의 머리를 썩인 문제라.
이제 절대의 운동이 있고저 하면 절대의 정지가(즉 절대운동의 표준점이 될 만한)있어야 할 것이라. 만약 우주 한 모퉁이에 절대 정지의 일점이 있다 하면 우리는 그 점을 기준 삼아 모든 운동의 절대적 속도 및 방향을 정할 수 있을 것이라.
에테르의 말살
전자의 남행기차는 물론 지구를 표준으로 할 때에는 절대운동이라 할 것이나 지구를 표준으로 하지 아니하고 가령 태양을 표준으로 한다 하면 남행차가 한 시간 40마일의 속도로 남행한다 함이 아무 의미가 없는 것을 유아라도 알 수 있지 아니한가. 즉 지구가 1시간 수 만리의 속도로 자전하고 또 공전하니 태양에서 볼 때에는 그 기차의 움즉이는 방향과 속도가 판이할 것이라.
한 발 더 나가면 태양 그 물건도 항성의 세계를 표준으로 하면 비상한 속도로 질주하는 것이 천문학의 사실인즉 태양도 운동의 절대 표준이 못되는 것이라. 항성의 세계 역시 변천이 있을찌도 모름으로 과학자는 절대 정지의 「공간」이란 물건을 발명하고 그 중에 「에테르」라는 것이 가득 차 있다고 설명하였드니 「에테르」는 만물의 내심까지 침투하고 만물의 요동에 불구하고 절대 정지 절대 평균 질도의 물체인 동시에 광선의 파가 횡파를 지어 전파되는 일종의 괴물이 된지라.
이 「에테르」는 과학자가 자기의 편리를 위하여 발명한 물건이라 공간에 실재하고 아니 함은 물을 바 아니러니 이것이 절대 정지의 표준물이 되고 아니 됨을 검토함에 이르러 마침내 낙제됨을 면ㅎ지 못하였도다.
그 전말은 다음과 같더라. 광선이 공간에 전파되는 속도가 유한하고 불변한 것은 이미 과학계 주지의 사실이었으니 곳 매초 약 30만 킬로메터의 속도라. 인저 만일 「에테르」가 정지 부동이라 하면 지구는 그 「에테르」 속에서 약간의 절대운동을 하고 있을 것인즉 지구상에서 그 절대운동의 방향으로 빛을 보낼 때와 그 운동과 수직되는 방향으로 보낼 때의 광속이 차이가 있을 것이라. 즉 지구가 전진하는 방향으로 보낸 빛은 속도가 광속+지구속도로 증가될 것이요. 그와 수직으로 된 빛은 광속뿐으로 전자보다 늘일 것이라. 과연 그러한가 아니한가를 시험하기 위하여 1881년에 미국인 「마이켈슨」「몰레」 두 사람이 광선간섭계(설명 생략)로 실험한 결과 조곰도 그런 사실이 없다고 하는 놀랄만한 결과를 얻은지라. 이 결과를 설명하기 위하여 「로렌츠」는 운동물체가 운동의 방향에 대하여는 얼마쯤 단축이 된다는 학설을 주장함에 이르렀으니 그는 아직까지도 「에테르」의 정지상태에 대한 지구의 절대운동을 승인함으로 이런 해석을 부득이하게 된 것이라.
「아인스타인」은 이 이론을 재검토한 결과 대담히도 「에테르」 그 물건을 말살하여 절대 정지의 표준이란 것을 없이하고 딸아서 절대운동이란 없다. 모든 운동은 상대적이라는 단안을 나리었더라. 이 단안을 학술적 용어로 나타낼 때에는
一. 서로 등속운동을 하는 관측자에 대하여는 자연법칙은 다 같은 형태로 나타난다.(상대성원리)
二. 빛의 속도는 어느 관측자에게나 일정하다.(광속불변의 원리)
의 두 가지로 되는 것이라.
(제1의 상대성 원리의 뜻은 가령 여긔 2물체가 있어서 서로 등속운동을 한다 하면 갑에서 관찰할 때는 을이 움직이는 것 같고 을에서 관찰하면 갑이 움직이는 것 같아서 어느 것이 표준이라 할 수 없거니와 만일 갑에서 나타나는 자연법칙과 을에서 나타나는 자연법칙이 상이하다 하면 갑을 중 하나는 표준체요 다른 하나는 운동체라고 추단할 수 있을 것이나 인저 상대성 원리는 양자간의 자연법칙이 동일한 것을 언명하였으니 어느 것을 표준이라 할 수 없고 갑을이 다 운동한다 할 수 있으니 즉 운동은(적어도 등속운동) 상대적임을 알 수 있다 함이라)
인력의 새로운 해석
이상 원리에 특히 등속운동에만 한한 것은 그것이 상대성임을 보이기 쉽은 연고요. 「아인스타인」은 한 발 더 나가 가속운동에도 상대성 원리를 펼쳤는지라.
『물체에 힘을 가하면 속도를 변경한다』 함은 「뉴톤」의 역학의 원칙이라. 상술한 등속운동은 힘을 가함이 없으매 그 상대성을 용인하기 어렵지 않으나 일정한 힘이 활동하여 하나의 물체를 움즉일 때 우리는 그 운동을 절대적이라 보지 않을 수 없지 않은가. 남북 양차 내의 승객이 어느 차가 움즉이는지 얼른 모르지마는 남행차의 기관에서 바퀴가 도는 것을 보면 힘이 활동하는 것을 알고 딸아서 북행은 정지 중이요 남행의 운동이 절대적임을 알 것이라.
천문학상에서 이 가속운동의 표준을 항성세계로서 정하지마는 이론상 항상 세계가 영구불변이라 할 수 없는 것이요. 사실 장구한 시간으로 관찰하면 항성 역시 그 위치를 변경할는지 모로는 것이라. 그럼으로 「아인스타인」은 마침내 가속운동까지 상대적이라는 원칙을 세움에 이르렀더라. 이것을 일반적 상대성 원리라 하여 전자 등속운동에 대한 원리를 특수 상대성 원리라 칭하니라.
물체에 힘을 가하면 가속운동이 생기나니 그 힘은 중량으로서 측정할 쑤 있는바 「아인스타인」은 중량이 상대적임을 깨달았는지라. 가령 우리가 승강기를 타고 나려갈 때에 신체가 공중에 뜨는 것 같이 감각됨은 중량이 감소됨이니 곳 가속적 운동을 할 때에는 중량의 판단이 달라지는 것이라. 「아인스타인」은 모든 천체에서 독립한 공간에 하나의 방을 상상하고 그 안에 모든 물체가 중력작용이 없음으로 자유로 있다가 만일 그 방을 일정한 방향으로 운동시키면 그 물체들은 그 반대방향으로 낙하한다고 볼 쑤 있으니 즉 지금까지 중량이 없던 물체에 중량이 생긴 것이며 그 중량은 그 방의 속도 여하에 딸아 다소가 있을 것이라. 이 곳 중량과 가속운동이 상대적임을 보이는 바라. 실내의 관찰자는 중력의 장이 출현되었다고 볼 쑤 있는 것이요 실외의 관측자에게는 방이 가속운동을 개시하였다고 볼 것이라. 딸아서 가속운동은 별개의 중력의 장이 그 공간에 도입된 것으로 볼 쑤 있으니 그 방과 물체등의 어느 것이 절대운동을 한다고 단언할 쑤가 없고 가속운동 역시 상대적이라는 이론을 승인할 쑤 밖에 없나니라.
공간의 곡률
이 가속운동에 의한 중력의 장의 변화라는 이론에서 출발하여 여러 가지 신기한 사실을 추리할 쑤 있나니 여기 일일히 설명할 쑤 없으나 간단히 예증하자면
(1) 공간의 곡률.
공간은 각종 천체의 만유인력으로 인하여 각 부분마다 다른 중력의 장을 이루고 딸아서 공간은 굴곡되어 있나니라. 공간은 3차원 세계임으로 그것이 굴곡된 여부는 3차원을 탈출하여 4차원에 이르기 전에는 관찰하기 불능하되 우리가 수학적으로 이를 표현하고 또 상상함은 어려운 일이 아니니 가령 구면은 일정한 곡률이 있어 그 우에서 직선을 그었더라도 원호가 되는 법이라. 이제 3차원의 공간도 일정한 곡률을 가지고 우리 미지의 4차원 세계를 포괄하고 있는 것이 아닐까. 이것은 비유클릿 기하학에서 이론적으로 많이 발달된 것이니라.
(2) 빛의 굴곡.
중력의 장이 가속운동과 같은 의미라 할찐대 그 중력의 장을 직선으로 통과하는 광선은 가속운동으로 인하여 굴절할 것은 명백하니 별빛이 태양 옆을 통과할 때에 굴절될 것을 「아인스타인」은 예언하고 그 굴절도를 1분75라 계산하였더니 1918년 일식에서 측량에 의하여 그 예언이 적중하니라.
(3) 유한하고도 무한한 우주.
일반 상대성 원리에서 신우주론을 이야기하니 곳 공간은 그 포함한 질량의 발하는 중력의 장으로 인하여 곡률이 결정되나니 인져 우주 전체의 포함한 질량을 결정한다 하면 그 중력의 장이 어떤 종류의 규칙적 혹은 불규칙적 곡률을 가지고 있어 어떤 한 점에서 직선을 그으며 그것이 무한대로 연장될 쑤 있는 동시에 다시 그 점으로 돌아오게 되는 일종의 둥근 공간이 될 것이니 곳 우주는 무한이면서도 유한이라 할 쑤 있을 것이니라.
이리하여 만일 우리가 우주에 퍼져 있는 질량의 총액을 아는 날은 우주의 대소까지라도 결정할 쑤 있나니 이상의 요약한 상대성 원리 및 거긔서 추론되는 사실은 일견 신기하나 많은 진리가 포함되었고 그 우주론에 니르러서는 비교할 수 없이 장대한 감을 아니 주지 못하나니라.”
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