1927년에 [동광]에 실린 이광수의 글 한 편 공유합니다.

잡지명 동광 제14호
발행일 1927년 06월 01일
기사제목 아인스타인의 相對性 原理, 時間 空間 及 萬有引力 等 觀念의 根本的 改造
필자 京西學人 (이광수(1892-?))


아인스타인의 相對性 原理, 時間 空間 及 萬有引力 等 觀念의 根本的 改造

京西學人

世界大戰 이후에 世目을 聳動하던 「아인스타인」의 相對性 原理는 同氏의 東洋 來訪으로 그 유행의 절정에 달하였다가 其後에 모든 다른 유행과 마찬가지로 衰退하고 말았으나 氏의 발견한 진리는 許多의 科學的 發見과 함께 후대까지 남을 것은 의심 없는 사실이다.
그러면 相對性 原理란 과연 무엇을 포함한 것인가. 그 數學的 難關과 認識學的 新奇로 인하여 보통 난해의 一語로 葬하고 마는 일이 많으니 세계에서 이를 완전히 이해하는 이가 12人에 불과하다는 「神話」까지 발생된지라, 그러나 이제 우리 普通人의 상식의 虛하는 範圍圍內에서 이에 대한 개념이라도 얻을 수가 아주 없을 것은 아니라.

絶對標準点?

運動이 상대적이라 하는 理論은 단순한 實例를 들어 알 수 있나니 가령 停車場에서 두 기차가 정지하였다가 인저 南行이 먼저 떠난다 하면 北行車에 있는 이는 南行이 가는 것 같고 南行車에 있는 이는 北行車가 떠나는 것 같은 것은 우리가 통상 경험하는 바라. 또 우리가 肉眼으로 볼 때에 日月星辰이 우리를 둘어 매일 天上을 일주한다 하나 天文學上으로 보면 地球가 自轉하는 것이니 地上의 人을 표준하면 日月星辰이 動한 것이요 日月上의 관찰자로서 표준하면 地球가 轉한 것이라 其 相對性을 의심할 수 없도다. 그러하나 우리의 理性은 다시 말하기를 不然이라. 其 相對的이라 함은 理論뿐이요 실지에 있어서는 南行車가 絶對的으로 動한 것이요 지구가 절대적으로 轉한 것이니 차에 요동하는 것으로 前者를 證하고 天文學上 관찰로 後者를 證할 수 있다 할 것이라. 그러면 운동은 전혀 상대적이라 함은 일종의 詭辯이요 其 實은 절대의 운동이 있는 것이라고 주장할 수 있지 아니한가. 이것이 과거 數世紀間 科學者의 머리를 썩인 문제라.
이제 절대의 運動이 있고저 하면 절대의 정지가(즉 絶對運動의 표준점이 될 만한)있어야 할 것이라. 만약 宇宙之一隅에 절대 정지의 일점이 있다 하면 우리는 그 점을 기준 삼아 모든 運動의 絶對的 速度 及 方向을 정할 수 있을 것이라.＜50＞

에테르의 抹殺

前者의 南行汽車는 물론 地球를 표준으로 할 때에는 절대운동이라 할 것이나 地球를 標源으로 하지 아니하고 가령 太陽을 표준으로 한다 하면 南行車가 一時間 40英里의 속도로 南行한다 함이 아무 意味가 없는 것을 幼兒라도 解得할 수 있지 아니한가. 즉 地球가 1시간 幾萬里의 속도로 自轉하고 또 公轉하니 太陽에서 볼 때에는 그 기차의 움즉이는 방향과 속도가 判異할 것이라.
一步를 進하면 太陽 그 물건도 恒星의 세계를 표준으로 하면 비상한 속도로 질주하는 것이 天文學上의 사실인즉 太陽도 運動의 絶對 標準이 못되는 것이라. 恒星의 세계 역시 변천이 있을찌도 모름으로 科學者는 絶對 靜止의 「空間」이란 물건을 발명하고 其 中에 「에테르」라는 것이 遍滿하였다고 설명하였드니 「에테르」는 萬物의 내심까지 침투하고 만물의 搖動에 불구하고 絶對 靜止 絶對 平均質度의 물체인 동시에 광선의 波가 橫波를 지어 傳播되는 일종의 괴물이 된지라.
이 「에테르」는 科學者가 자기의 便利를 위하여 발명한 물건이라 空間에 實在하고 아니 함은 물을 바 아니러니 이것이 絶對 靜止의 표준물이 되고 아니 됨을 검토함에 이르러 마침내 落第됨을 면ㅎ지 못하였도다.
그 顚末은 다음과 같더라. 光線이 空間에 전파되는 속도가 有限하고 불변한 것은 이미 科學界 周知의 사실이었으니 곳 每秒 약 30萬킬로메터의 속도라. 인저 만일 「에테르」가 靜止 不動이라 하면 地球는 그 「에테르」 속에서 약간의 절대운동을 하고 있을 것인즉 地球上에서 그 絶對運動의 방향으로 光을 보낼 때와 그 運動과 垂直되는 방향으로 보낼 때의 光速이 차이가 있을 것이라. 즉 地球가 前進하는 방향으로 보낸 光은 속도가

光速+地球速度

로 증가될 것이요. 그와 垂直으로 된 光은 光速뿐으로 前者보다 늘일 것이라. 과연 그러한가 아니한가를 시험하기 위하여 1881년에 美國人 「마이켈슨」 「몰레」 두 사람이 光線干涉器(說明畧-원문)로 실험한 결과 조곰도 그런 사실이 없다고 하는 놀랄만한 결과를 얻은지라. 이 결과를 설명하기 위하여 「로렌츠」는 運動物體가 運動의 방향에 대하여는 얼마쯤 短縮이 된다는 학설을 주장함에 이르렀으니 氏는 아직까지도 「에테르」의 靜止狀態에 대한 地球의 絶對運動을 승인함으로 이런 해석을 不得已하게 된 것이라.
「아인스타인」은 이 理論을 재검토한 결과 대담히도 「에테르」 그 물건을 抹殺하여 절대 정지의 표준이란 것을 없이하고＜51＞ 딸아서 絶對運動이란 絶無하다. 모든 운동은 상대적이라는 斷案을 나리었더라. 이 斷案을 學術的 用語로 나타낼 때에는

一. 서로 等速運動을 하는 觀測者에 대하여는 自然法則은 다 같은 形으로 나타난다.(相對性原理)

二. 光의 속도는 어느 觀測者에게나 일정하다.(光速不變의 原理)

의 두 가지로 되는 것이라.
(第一의 相對性原理의 뜻은 가령 여긔 2물체가 있어서 서로 等速運動을 한다 하면 甲에서 觀察할 때는 乙이 動하는 것 같고 乙에서 觀察하면 甲이 動하는 것 같아서 어느 것이 표준이라 할 수 없거니와 만일 甲에서 나타나는 自然法則과 乙에서 나타나는 自然法則이 相異하다 하면 甲乙 중 一이 標準體요 他는 運動體라고 推斷할 수 있을 것이나 인저 相對性原理는 兩者간의 自然法則이 동일한 것을 言明하였으니 어느 것을 표준이라 할 수 없고 甲乙이 다 動한다 할 수 있으니 즉 運動은(적어도 等速運動) 相對的임을 알 수 있다 함이라)

引力의 新解釋

이상 原理에 특히 等速運動에만 한한 것은 그것이 相對性임을 證하기 쉽은 綠故요. 「아인스타인」은 更進一步하여 加速運動에도 相對性原理를 溥衍하였는지라.
『물체에 力을 加하면 速度를 변경한다』 함은 「뉴톤」의 力學의 원칙이라. 上述한 等速運動은 力을 加함이 없으매 그 相對性을 容認하기 어렵지 않으나 일정한 力이 活動하여 一物을 움즉일 때 우리는 그 運動을 絶對的이라 보지 않을 수 없지 않은가. 南北 兩車 內의 승객이 어느 車가 움즉이는지 얼른 모르지마는 南行車의 기관에서 바퀴가 도는 것을 보면 力이 활동하는 것을 알고 딸아서 北行은 정지 중이요 南行의 운동이 絶對的임을 알 것이라.
天文學上에서 이 加速運動의 표준을 恒星世界로서 정하지마는 理論上 항상 世界가 永久不變이라 할 수 없는 것이요. 사실 長久한 시간으로 관찰하면 恒星 역시 그 위치를 변경할는지 모로는 것이라. 그럼으로 「아인스타인」은 마침내 加速運動까지 相對的이라는 원칙을 立함에 이르렀더라. 이것을 일반적 相對的 原理라 하여 前者 等速運動에 대한 原理를 特殊相對性原理라 칭하니라.
물체에 力을 加하면 加速運動이 生하나니 그 力은 중량으로서 測할 쑤 있는바 「아인스타인」은 중량이 相對的임을 깨달았는지라. 가령 우리가 昇降機를 타고 나려갈 때에 신체가 공중에 뜨는 것 같이 感覺됨은 重量이 감소됨이니 곳 加速的 運動을 할 때에는 重量의 판단이 달라지는 것이라. 「아인스타인」은 모든 천체에서 독립한 공간에 一室을 想像하고 그 안에 모든 물체가 重力作用이 없음으로 自由로 掛在하다가 만일 그 室을 일정한 방향으로 運動시키면 그 물체들은 그 反對方向으로 落下한다고 볼 쑤 있으니 즉 于今까지 重量이 없던 물체에 중량이 생긴 것이며 그 重量은 그 室의 速度 如何에 딸아 多少가 있을 것이라. 이 곳 重量과 加速運動이 相對的임을 證하는 바라. 실내의 觀察者는 重力의 場이 출현되었다고 볼 쑤 있는 것이요 室外의 觀測者에게는 室이 加速運動을 개시하였다고 볼 것이라. 딸아서＜52＞ 加速運動은 별개의 重力의 場이 그 空間에 導入된 것으로 볼 쑤 있으니 그 室과 物體등의 어느 것이 絶對運動을 한다고 斷言할 쑤가 없고 加速運動 역시 相對的이라는 理論을 승인할 쑤 밖에 없나니라.

空間의 曲率

이 加速運動에 의한 重力의 場의 변화라는 論理에서 출발하여 여러 가지 신기한 사실을 추리할 쑤 있나니 여기 일일히 설명할 쑤 없으나 간단히 例證하자면

(一) 空間의 曲率.

空間은 각종 天體의 萬有引力으로 인하여 각 부분마다 다른 重力의 장을 成하고 딸아서 空間은 屈曲되어 있나니라. 空間은 三元的 세계임으로 그것이 굴곡된 여부는 三元 世界를 탈출하여 第四元에 이르기 전에는 관찰하기 불능하되 우리가 數學的으로 이를 표현하고 또 想像함은 難事가 아니니 가령 球面은 일정한 曲率이 있어 그 우에서 직선을 그었더라도 圓弧가 되는 법이라. 이제 三元 世界의 공간도 일정한 曲率을 가지고 우리 未知의 四元 世界를 包括하고 있는 것이 아닐까. 이것은 非유클릿 幾何學에서 理論的으로 많이 발달된 것이니라.

(二) 光線의 屈曲.

重力의 장이 加速運動과 同意라 할찐대 그 重力의 場을 직선으로 통과하는 光線은 加速運動으로 인하여 屈折할 것은 명백하니 星光이 太陽側을 통과할 때에 굴절될 것을 「아인스타인」은 豫言하고 그 屈折度를 一分七五라 計算하였더니 1918년 日蝕時 測驗에 의하여 그 豫言이 的中하니라.

(三) 유한하고도 無限한 宇宙.

一般 相對性 原理에서 新宇宙論을 述하니 곳 공간은 그 포함한 質量의 發하는 重力의 장으로 인하여 曲率이 결정되나니 인져 宇宙 전체의 포함한 질량을 결정한다 하면 그 重力의 장이 어떤 종류의 規則的 혹은 不規則的 曲率을 가지고 있어 어떤 一點에서 직선을 그으며 그것이 무한대로 연장될 쑤 있는 동시에 다시 其 點으로 돌아오게 되는 일종의 球空間이 될 것이니 곳 宇宙은 무한이면서도 有限이라 할 쑤 있을 것이니라.
이리하여 만일 우리가 宇宙間에 遍在한 質量의 總額을 아는 날은 宇宙의 대소까지라도 결정할 쑤 있나니 이상의 所約한 相對性 原理와 및 거긔서 推論되는 事實은 一見 신기하나 많은 眞理가 포함되었고 그 宇宙論에 니르러서는 壯大 無比한 感을 아니 주지 못하나니라.(完)＜53＞
＜50-53＞