1930년대 조선일보와 동아일보에 연재된 현대 물리학 칼럼

신흥물리학의 추향 시리즈

연전교수 최규남 기고 (당시 연희전문학교 수물과 교수, 해방 후 서울대 총장, 문교부 장관 역임, 대한민국학술원 회원, 1986년 국민훈장 무궁화장 수훈)

1936.2.8. 조선일보

(1) 자연법칙의 세계

최근 이십년 간의 물리학 발전은 실로 옛것을 보내고 새것을 맞기에 무가지감이 있다. 나날이 발전되는 신이론은 또다시 신이론 출현의 동인이 되어 물리학사상에 보기 드문 위관을 정하게 되었다. 일즉이 전세계 과학에 일대 혁명적 센세이션을 일으킨 아인스타인의 상대성이론도 어언간에 

고전물리학으로 귀결되었고 현대물리학계에 가장 새로운 이론은 『뿌라크리(드 브로이)』 『쉬레덴가』 『하이센벨크』 『드랙』 『플랑크』 제씨의 파동역학(Wavemechanics), 양자역학(Quantummechanics) 및 양자론(Quantum theory) 등이라고 하겠다. 이 신이론이 물리학계에 가져온 변혁은 상대성이론보다도 좀 더 본질적이오 또한 이해키 어려운 점에 있어서도 전자에 비하야 손색이 없다고 하겠다. 이와 같이 자연과학의 초속도적 발전으로 인하야 우리 인간의 사상사가 생긴 이래 철칙으로 믿어오는 인과율도 조상지육이 되었고 따라서 자연과학의 기초적 개념에까지 동요를 주게 되었다.

(중략)

(2) 물질의 구성요소의 전기

분자론의 승리는 물리학상 각 방면에 분자론적 고찰을 확장케 하였다고 본다. 물질에 있어 그 조성적 단위가 되는 분자가 존재한 것과 같이 전기에 있어서도 어떠한 조성적 단위가 존재하리라는 추상적 신념이 생기게 되었다. 이 개념의 기원은 결코 근대에 시작된 것은 아니고 석자(昔者) 전기유체설이 생긴 그때부터 이러한 학설이

유행하였다고 믿는다. 웨ー벨 씨의 전기이론은 금일에 전자론과 흡사한 것이라고 본다. 십구세기 후반에 우연히 기이한 진공방전현상의 발견을 보게 되었다. 소위 음극선(Cathode Ray)의 조성적 미립은 음전기를 대(帶)하고 비상한 고속도로 비동하는 것을 알게 되었다. 그 미립자가 가진 전기량과 그 질량의 비는 수소 이온의 동비(同比)보다 약 일천팔백삼십배나 크다. 환언하면 만일 그 미립이 전기량이 수소 「이온」이 가진 전기량과 상등하다면 이 미립자의 질량은 수소 「이온」의 질량의 일천팔백삼십분의 일이 될 것이다.

- 1편은 상대성 이론과 양자역학이 물리학에 대한 이해에서 혁명적임을 다루고 있는 기사. 2편에서는 익히 알고 있는 톰슨의 전자 발견과 전하/전자질량 값의 계산을 언급하고 있다. 

1936.2.9. 조선일보

(위에서 이어짐)

여사(如斯)한 극소질량을 가진 미립자에 대하야는 일즉이 경험이 없는 당시 학자 간에 일대 주의를 일으키는 동시에 이 세미한 입자가 일반물질의 분자 중에 포함된 공통적 구성 요소가 아닌가 하는 의심을 가지게 되었다. 이러한 의심을 배후에 두고 계속 연구한 결과에 금일에 유명한 방사성 물질(Radioactive Substance)의 발견을 보게 되었다. 즉 『우라니엄・라지움』 등의 원소와 또는 그 화합물은 항상 음극선을 구성한 미립자와 동일한 징립(徵粒)을 고속도로 방사하고 있다. 모든 물질의 공통적 구성 요소인 이 미립을 오인(吾人)이 금일에 『전자』라고 칭한다. 

방사성 물질로부터 방사하는 전자류(Stream of Electron)를 B(뻬타)선이라고 칭하며 이 B선 외에 양전기를 대(帶)한 미립자류가 방사되나니 이것을 명명하야 L(알파)선이라고 한다. 이 L입자가 가진 전기량은 『수소 이온』이 가진 전기 요소의 두 배가 되며 그 질량은 힐니엄 원자의 질량과 상등한 사실을 『루드포ー드』의 연구로 알게 되었다. 다시 말하면 D입자는 힐늬엄 원자로부터 두 개의 전자를 제거한 것이며 이 D입자도 또한 원자량이 큰 물질의 구성요소가 된다. 즉 방사성 물질 중 어떠한 원소의 원자는 한 개의 D입자나 혹은 B입자가 방사됨을 인하야 전연 다른 종류의 원자로 변화하는 사실이야말로 오인의 물질에 대한 관념을 근본적으로 변혁한 것이라고 본다. 

원소를 그 글자의 뜻과 같이 한 불변의 단체(單體)라고는 볼 수가 없게 되었다. 오히려 다수의 D입자와 B입자의 집합체라고 보는 것이 당연할 것이다. 또 원소의 성질이 그 집합된 모양에 의하야 결정되는 고로 이 집합체로부터 한 개의 D입자와 B입자가 방출되면 전혀 다른 원자로 변하는 것이다. 그런고로 『우라니엄』은 몇 계단을 경유하야 점차 『라지움』으로 변화되고 『라지움』 역시 점차 연(鉛, 납)으로 변화하는 사실을 보게 된다. 이 방사성 물질의 변천은 자연적(Spontaneously)으로 진행되는 것이고 인위적으로 촉진시키기는 불가능한 사실이나 석자에 다수한 연금학자들이 몽상해 온 연으로 황금을 만들겠다는 허욕도 전연 불가능한 공상이라고는 말할 수 가 없다. 그런즉 일반물질의 원자는 전기를 대(帶)한 미립자로 구성되었다는 사실에 있어서는 더 의심할 여지가 없게 되었다. 

음전기를 대(帶)한 B입자(즉 전자)와 양전기를 가진 D입자가 물질의 구성 요소가 된다는 사실은 방사성 물질에 있어서 실증된 명확한 사실이다. 또 다른 물질의 구성 요소로 전자가 포함된 것은 여러 가지 현상에 있어 실험적으로 증명할 수가 있다. 그 중에 가장 역사적으로 현저한 것은 1896년에 『쩨만의 효과(Zee mann Effect)』이다. 『쩨만 효과』의 발명이야말로 현세 신물리학계에 없지 못할 실물이다. 분광학(Spectroscopy) 상에서나 양자론(Quantum theory)에서 여러 가지 이론과 현상을 설명하는 데에 가장 필요한 무기이다. 씨(氏)가 사용하던 실험기구와 실험실은 아직까지 그대로 보관해온다고 한다. 그런즉 이 『쩨만 효과』는 무엇인가에 대하야 잠시 생각하기로 하자. 간단하게 말하면 일정한 휘선(輝線) 『스펙추럼』(Line Sperctrum)을 발하는 물체를 강한 자장 중에 치(置)하면 스펙추럼선은 두 개 혹은 세 개 그 이상 수 개로 분열되는 현상이다. 물체에서 발하는 빛은 원자 내에 있는 전자의 진동으로 인하야 생긴다는 것은 당시 학자들이 잘 아는 사실이었다. 자장 내에 있어서 전자의 진동은 그 주기(Period)의 변동을 급(及)하고 따라서 빛에 진동수 즉 파장이 변하는고로 스펙추럼선의 위치에 이동을 생(生)케 하는 것이다. 로렌쓰는 분기된 스펙추럼선의 위치로부터 전자의 전기량과 그 질량과의 비를 계산한 결과에 음극선과 B선에서 동비를 계산한 수량과 일치되는 사실을 발견하였으며 이 전자는 양전기를 대(帶)한 미립자라는 것을 확실히 알게 되었다. 요컨대 모든 물질의 그 종극적 구성 요소는 전기적 입자라는 것을 실험적으로 증명하였으며 이것은 물리학 근대 이론이 오인의 물질관에 가져온 일대 변혁이다.

- 러더퍼드의 알파선 및 베타선 발견과 제이만이 발견한 제이만 효과에 대해 다루고 있는 기사. 로런츠도 언급되는데, 로런츠와 제이만은 자기장에서의 방사선 연구로 함께 노벨 물리학상을 수상하였다. 

1936.2.13. 조선일보

(4) 전기소량과 전자의 성질 (참고로 전기소량은 기본 전하량의 일본식 용어)

상술한 바와 같이 전자는 실제에 있어 단일한 것으로 모든 물질이 다 이 전자로 조성되었다고 하면 전기량에 있어서도 역시 일정한 단위가 있어서 전기량은 단위의 정수배로 표시될 것이다. 즉 전기 자체도 또한 입자적 조성이라고 볼 수가 있다. 전기유체설을

주장한 『플랭클인』 씨는 말하되 전기유체는 미립자의 집합체로 물체를 자유로 통과하는 것이라고 하였다. 그러나 이것은 하등의 실험적 근거가 없는 상상에 불과하였다. 1833년에 우연히 전기량에는 분할할 수 없는 단위가 있다는 사실을 『파라데이』 전기 분해 법칙으로부터 알게 되었다. 그러나 실제 그 전기소량의 치(値)를 계산코저 연구에 착수하기는 1874년에 『스톤늬』라는 학자이다. 그러나 당시에는 원자수 등에 대한 지식이 박약한고로 정밀한 치를 구하기 불능하고 그후 영국학자 『탐손』 『웰손』 등도 X선으로 인하야 생하는 기체 『이온』의 전기량을 측정하여 보았다. 최근 1909년 이후 미국학자 『밀이켄』 씨는 가장 정밀한 실험장치를 설비한 후 이 전기소량의 치를 구하기에 많은 노력을 하였다. 씨는 대전한 초현미경적 유(油)입자를 강한 전장에 낙하케 하고 전기력과 중력과의 작용으로 인하야 동하는 유입자(Oil Drop)의 속도를 측정한 후에 이 입자가 가진 전기량을 계산하야

실제에 전기소량의 정수배가 되는 것을 증명하는 동시에 이 소량의 치를 계산하였다. 그후 여러번 실험을 거듭하야 다 동일한 결과를 얻었다. 씨의 전기소량의 치 즉 전자가 대(帶)한 전기량 『e』는 e=4.774×10^-10 정전단위이다. 이 치는 현 물리학계에서 가장 정확한 것으로 공인하는 것이다. 씨가 1920년경에 영예의 『노ー벨』상금을 획득한 것도 이 실험의 성공으로 인함이다. 다음으로 전자의 질량에 대하야 잠시 생각하기로 하자. 이 질량(Mass)을 계산하려면 먼저 운동하는 전자에 일정한 역(力)을 작용케한 후 그 운동의 변화를 연구할 필요가 있다. 1897년에 『탐손』 씨는 처음으로 전장과 자장을 응용하야 음극선을 굴곡켘 한 후 그 편의를 측정하야 전기량과 그 질량의 비 즉 e/m 및 속도를 계산하였다. 그후에 여러 학자들은 동일한 방법으로 음극선 외에 방사성 물질로부터 방사되는 B선과 광전기효과 및 『리차ー드슨』 효과 등에서 방출하는 전자에 대한 e/m의 치를 

측정하야 동일한 결과를 얻었다. 금일에 있어 가장 정밀한 치이다. 전기량은 정전단위로 질량은 『그람』(gram)으로 표한다. 따라서 상술한 e의 위를 이 식에 대입하야 전자질량 m의 치를 구하기 가능하니 m=9.0×10^-28 grams이 될 것이다. 이 수치를 수소 원자의 질량 Hm=1.650×10^-24 grams에 비교하면 겨우 1/1836에 불과한다. 방사성 물질로부터 B선이 방사된 후에 그 원자량에 변화가 없는 것은 차등 극소한 수치를 보아 당연할 일이라고 하겠다.

전자적 자연관

오인은 자연현상의 대상으로 물질을 인식하는 동시에 그 주위공간에 미만한 가상적 대상을 상상하야 이것을 이터(Ether)라고 부른다. 물질물리학에 대칭되는 『이터』 물리학은 그 『이터』 공간 내에 존재한 에너지(Energy) 문제에 대하야 논한 것이니 이 『에너지』는 소위 복사에너지를 의미한 것이다. 빛이

복사 에너지라는 것은 오인이 오래 전부터 잘 아는 사실이다. 빛은 일종의 파동인데 횡파이다. 진공 중에서 그 속도는 매초 삼십만km이다. 그 진동수의 다소 혹은 파장의 장단으로 인하야 각종 색이 생기게 되며 『이터』는 빛을 전파하는 가상적 매질이다. 빛 『스페추럼』 양측에는 오인의 시각으로 감(感)할 수 없는 복사『에너지』의 존재를 실시적으로 인식하게 되었다. 보통광보다 파장이 큰 적외선(Ultra-red)은 물질에 흡수된 후에 강한 열작용을 일으키는고로 열선 또는 복사선이라고도 부르며 보광보다 파장이 적은 즉 자외선(Ultra-violet)은 사진 작용이 강한고로 화학선이라고도 칭한다. 19세기 말엽에 영국학자 『파라데ー』는 대전 물체 간에 인척 작용은 그 주위에 있는 가상적 매질 즉 『이터』의 변형으로 인하야 생기는 것이라고 주장하고 그 매질 내에 가상적력선(Line of Force)을

상상하야 이 인척작용을 설명하였다. 씨의 위대한 계승자 『맥스웰』은 씨의 이론을 좀 더 구체적으로 연구한 후에 주장하되 물체 내부에서 전기적 진동이 생길 때에 그 에너지는 복사파로서 그 주위 매질에 전파되고 그 속도는 광속과 거의 상등하다고 하였다.

- 전자의 질량을 알아내기까지의 과정을 먼저 설명하고 있다. 그 유명한 밀리컨의 기름방울 실험도 등장. 이어지는 편에서는 에테르와 빛에 대해서 언급하며 이어질 내용의 밑밥을 깔고 있다.

1936.2.14. 조선일보

(5)

 이것을 단서로 하야 연구에 연구를 거듭한 결과에 빛은 전기적 진동으로부터 오는 복사파와 동일한 것이라는 결론을 내리게 되었다. 이것이 유명한 맥스웰의 빛의 전자(電磁)설이다. 1888년에 독일학자 헬쓰는 맥스웰의 이론적 전기파를 실험실 내에서 인공적으로 만들게 되고 여러 가지로 실험해본 결과에 전연히 빛의 성질과 동일한 현상을 발견하게 되었다 따라서 맥씨의 이론은 혁혁한 광휘를 발하게 되었으며 세인의

이목을 □게 되었다. 금일 실용상에 가장 중요하게 된 전파도 또 복사파에 일종이며 이터는 이 모든 복사파를 전하는 매질이다. 광파와 전파가 동일하다는 이론으로부터 빛의 발생에 관한 오인의 재래의 개념도 일변하게 되었다. 즉 빛의 탄성적 진동설이 변하야 전기적 진동설로 귀착되었다. 연즉 원자 내에 포함된 전자의 발견으로 인하야 자연적으로 빛은 전자의 진동으로부터 발생하는 것이라고 귀결되고 말았다.

4, 자연현상의 불연속성

근세 물리학 발전이 우리 과학계에 재래한 2대 이론이 유(有)하니 상대성 원리와 양자론이 그것이다. 전자는 공간과 시간에 대한 새 개념과 관측자의 상대적 입장에 대한 자연법칙의 불변성을 논한 것이다. 다행히

오인은 그 이론에 적용할 만한 수학적 관계를 기지(旣知)한고로 이에 대한 기초적 실험이 유(有)한 후 얼마 안 되어서 그 위대한 이론의 일단락의 완성을 보게 되었다. 후자는 간단히 말하면 자연 현상의 불연속성을 계시한 것이라고 볼 수 있으나 그 근본문제에 있어서는 아직 미지수라 하여도 과언이 아니다. 그 이론에 관련된 현상은 일반물질의 구성요소인 원자 혹은 전자의 성질에 관한 것이나 그 범위는 심히 광활함으로 금일 오인의 경험과 지식으로는 도저히 해결지 못할 것이만코 따라서 어떠한 노정을 취하여야 그 이론의 핵심에 가장 가까이 가 도달할는지 예상키 어렵다. 또 그 이외에 오인의 종래에 수학적 지식은 연속적 수에 대한 거싱오 불연속적 수를 취급한 정수론에 대하야는 충분한 이해가 박약한 소이로 그 이론을 이해하는 때에 여러 가지에 난관이 많은 것이 사실이다. 양자론의

전도(前途)에는 이와 같은 2대 난관이 횡재하였으나 그 이론이 현대 물리학에 여하한 중요성을 가지고 있는 것은 누구나 다 숙지하는 사실일나 명일 물리학의 최대문제도 모두가 그 이론에 관련된 것이라고 해도 과언이 아니다.

본론에 입(入)하야 양자이론이 무엇이라는 윤곽만을 간단히 소개하기로 한다.

19세기 말엽으로 20세기 초두에 지(至)하기까지에 오인은 실로 많은 새 문제들을 맞게 되었다. 전 장에 말하였거니와 맥스웰의 빛의 전자설이 확립한 후에 전파의 발견과 음극선, 방사능 등의 신기한 발견을 기초로 한 전자세계의 출현을 보게 되었다. 그러나 차등 새 문제에 대등될 만한 또 다른 새 문제가 출생하였나니 이는 즉 흑체복사(Black Body Radiation)의 현상에 대한 문제이다. 연즉 이 흑체복사란 무엇인가? 일반 고체가 열하야 발광할 때에 온도의 고저를 따라서

광색이 변하나니 최초에는 소위 적열 상태라하야 적색으로 발하지만 점차 고온도됨을 따라서 백색으로 변하게 된다. 그런고로 노련한 하야공들이 노중에 소철색을 보아 하련에 적당한 온도에 달한 여부를 판단한다고 한다. 1860년에 키어홀프는 각종 물체의 복사와 흡수와의 관계에 대하야 이론적 연구에 착수하였다. 물체의 단위표면으로부터 단위시간에 복사하는 열량 E를 복사능이라고 정의하고 이 단위면적이 실제에 흡수하는 열량과 이 표면이 수(受)하는 주체열량과의 비 A를 물체의 흡수능이라고 하면 물체가 열평형 상태에 재(在)할 시 즉 온도가 불변할 시에는 E/A는 일반물체에 재하야 일정불변하다는 사실을 키씨는 증명하였다. 즉 일반물체의 복사능에 대한 흡수능의 비는 일정하다는 말이다. 씨는 또 모든 복사가 전혀 흡수되는 물체를 완전흑체라고 정의하였다. 실제에 매연과 여(如)한 흑색체는 완전흑체에 근사한 것이다. 이러한 물체에 흡수능은 거의 되는고로 복사능을 o라고 하면 일반적으로 o=E/A가 될 것이다.

- 맥스웰의 방정식과 헤르츠의 전자기파 존재 확인 등 전자기학의 대강의 역사를 설명하고 있다. 주제가 바뀌어 그 다음 장에서는 드디어 양자론을 설명한다. 여기서는 키르히호프가 제시한 흑체 개념과 관련해 흑체복사가 무엇인지를 설명하고 있다.

1936.2.15. 조선일보

(6)

요컨대 완전흑체의 흡수능이 최대한 동시에 복사능도 타 물체에 비하야 최대할 것이다. 이에 반하야 투명체와 여(如)한 것의 흡수능 A는 0이거나 최소할 것이다. 고로 초자(硝子, 유리)와 같은 것은 다른 물체와 동 정도로 적열되지만은 많은 빛을 발하지 않는다. 온도가 높을수록 복사능이 증가되며 완전흑체에 있어서는 절대온도의 사승방(네제곱)에 

비례한다는 사실을 1879년에 지리학자 스테푼 씨가 실험적으로 증명하였으며 그후 『뽈스만』 씨도 열역학 법칙에 기인된 이론적 증명을 하였다. 이것이 즉 유명한 스테푼ー뽈쓰만의 법칙이다. 온도가 높아갈수록 빛이 백색으로 변한다는 것은 복사 스펙추럼의 각종 파장에 대한 에너지 분포가 온도를 따라 변한다는 것과 동일한 말이다. 이 에너지 분포를 열전퇴나 뽈나미터를 사용하야 정확하게 측정할 수가 있다. 1899년 『뿌리꾸스함』의 측정에 의하면 각 온도에 대한 에너지의 최대치에 해당한 파장은 일정하고 온도가 높아갈수록 이 최대치는 파장이 단(短)한 방향으로 이동한다고 하였다.(제1도 참조) 이 최대파장과 절대온도와의 역비례되는 관계를 1893년에 독일학자 삐ー인은 열역학적 견지로부터 논증하였다. 이것이 곧 현대 신물리상에 가장 저명한 삐ー인의 이동법칙이다. 그러나 한가지 유감되는 것은 이 이동법칙은 단파장 부분에 한하야 실험과

이론이 부합되고 장파장부분에는 적용할 수가 없는 사실이다. 동시에 영국에서는 랠리 경과 찐ー쓰는 전혀 다른 고찰로부터 장파장 부분에 한하야만 부합되는 법칙을 발견하였다. 따라서 이 문제는 당시 각 학원의 물리학자 간에 유행되는 일대 수수께끼가 되었다. 이것이 즉 양자이론의 발단된 원인이라고 하겠다.

 이 자연현상의 비밀은 우연히 1900년에 독일학자 『풀랑크』의 손으로 해결하게 되었다. 씨는 소위 양자(Quanta)라 하는 신물리학의 기초적 양을 발견하야 장파장과 단파장에 다 부합하며 따라서 응용키 가능한 수학적 공식을 발명한 것이다. 그때로 위시하야 금일에 지(至)하기까지 이 양자에 대한 연구는 계속적이었으며 대자연의 심원한 기구가 실로 이 양자 속에 은포되었다고 믿는다. 이것이 곧 양자론 발전의 출발점이다. 연즉 오인이 일즉

몽상치도 못한 이 불가사의의 양자라는 것이 무엇인가? 잠시 생각해보기로 하자.

흑체복사에 대한 에너지 분포법칙이 실험적 사실과 불일치되는 것을 발견한 당시 학자들은 그 이론에 대한 결함을 찾기에 많은 시간과 노력을 허비하였다. 랠 경과 찐쓰의 수학적 공식은 근거가 정당하고 또는 로랜쓰 씨가 전자론으로부터 유도한 이론적 결과도 이와 일치되는 사실을 알았다. 그러나 실험적 사실만이 이와 배치되는 것을 인식한 플랑크는 실점에 부합되는 법칙을 작성하려면 무슨 새로운 가정이 필요하다는 것을 철저히 느끼고 1900년에 수(遂)히 한 개의 가설을 안출하야 실험과 이론이 일치되는 흑체복사 에너지에 대한 수학적 공식을 발견하게 되었다. 연즉 이 가설이란 무엇인가? 즉 복사 에너지가 복사 혹은 흡수될 때에 반드시 그 진동수 v에 비례하는 일정량 hv의 정수배로 된다는 것이니 이 일정량 hv를 에너지 양자라고 부른다. h는 플랑크의 세계적 상수니 혹은

작용 양자라고도 명한다. 환언하면 에너지는 비상히 미소한 유한량의 종극요소 즉 에너지 양자로 조성되었다는 것이다. 이것이 양자론의 핵중이오 기초적 가정이다. 당시 과학계에서는 이에 대한 하등의 이론적 근거를 찾지 못한고로 이에 대한 의문과 반론이 심하였다. 그러나 오랫동안 문제 중이던 흑체복사법도 이 가설의 힘으로 일단락을 보게 되었으며 또 여러가지현상에 있어 이 가설을 증명하는 사실이 속출됨을 따라 세상은 이 이론을 환영하며 진리로 믿게 되었다.

도해: 복사 스펙추럼의 에너지 분포가 온도를 따라 변하는 모양을 표시 (횡선은 파장 종선은 『에너지』양을 표함)

- 드디어 흑체복사로부터 탄생한 플랑크의 양자론에 대한 설명. 슈테판-볼츠만 법칙이나 빈의 변위 법칙, 레일리-진스 법칙 등 꽤 자세히 설명하고 있다. 그리고 이 파트를 공부할 때 반드시 만나게 되는 그 그래프도 같이 실려있다. 

최근 세계 과학의 성과 - 원자구조의 단위와 인공적 원자 파괴 

연전교수 최규남 기고 (당시 연희전문학교 수물과 교수, 해방 후 서울대 총장, 문교부 장관 역임, 대한민국학술원 회원)

1938.1.6. 조선일보

(상) 

전언(前言)

최근 물리학계의 발전은 실로 놀랄 만하다. 너무 급진적이라고 해서 물리학의 휴일을 주장하는 일파가 미국서 생겼다고까지 전한다. 특히 원자를 대상으로 한 소위 원자물리학의 진전이야말로 바야흐로 절정에 달하게 되어 종래에 애매모호의 의운 중에 엄폐되었던 원자의 비밀도 그 진상을 알게 되며 그 개모는 백일하에 폭로되었다. 비단 원자의 정체만이 천명된 것 뿐 아니라 일보를 진하야 한 원소의 원자를 타 원소의 원자로 변환하는 데 성공한 것이다.

 고인(古人)이 몽상하던 소위 『만물환금술』도 금일에 와서는 광인의 예언이라고 부정치 못하게 되었다. 원자변환 인공 방사능 등등은 금일의 과학자 간에 가장 흥미 있는 일상화제가 됨을 따라 원자물리학의 막다른 골목에 당도한 차등 문제는 현 과학계에 연구의 초점이 되며 세계 학자들의 두뇌를 번거롭게 한다. 연즉 차등 첨단적 문제의 연구에 몰두하고 있는 일반학자는 과연 그 근본적인 핵심이 되는 원자의 구조가 무엇인지를 또는 원자를 구성하고 있는 성분 중에는 무엇이 잠재하였는지에 대하야 명확한 관념을 포착하였는가? 지극히 정밀한 강력현미경으로도 보이지 아니하는 원자 속의 비밀이라 누구라서 이에 대한 일체 비밀을

완전히 파악하였다고 단언하리오? 이제 필자는 이에 대한 가장 기초적이오 실험으로 능히 명중할 수 있는 몇 개의 구조단위 및 그 이론을 소개하기로 한다.

원자 구조는 태양계와 흡사하다. 어떠한 원소의 원자를 막론하고 원자핵과 이것을 초점으로 삼고 회전하는 부유 전자로 성립되었다. 이 현상은 마치 우리 태양계에서 태양을 중심으로 하고 수 개의 유성이 일정한 궤도상을 운행하고 있는 것과 흡사한 사실이다. 태양계에서 각 성의 호상 간에 작용하고 있는 힘은 『뉴톤』의 만유인력이지만 원자의 경우에는 양음 간에 작용하고 있는 전기력이다. 즉 전자는 뉴톤의 만유인력 법칙에 순응하고 후자는 『쿨놈』 법칙에 지배를 수(受)하는 것이다. 이와 같이 전자는 원자핵 주위에 일정한 『에너지』를 소유한 궤도상을 회전하고 있는 것인데 태양계와 다른 점은 예컨대 지구가 그 인성(隣星)인 화성 혹은 금성의 궤도로 이동하기는 절대 불가능하지만 전자는 우연히 무슨 원인으로든지 제1궤도로부터 제2궤도로 혹은 제3궤도로부터 제5궤도로 그 존재를 이동하기가 가능하다. 이러한

이동현상이 기(起)할 때에는 각 궤도는 일정한 『에너지』를 소유한고로 당연히 그 『에너지』에 대한 변동이 생기는 것이다. 차제에 생기는 과잉 『에너지』는 소위 휘선 스펙트럼(Emission Spectrum)으로 나타나고 만일 『에너지』가 부족될 때에는 흡수 스펙트럼(absorption spectrum) 현상이 나타나게 된다. 에너지의 잉여 또는 부족은 전자 이동의 방향 여하로 결정되는 것이다. 다음으로 태양계에 있어 태양에 대응되는 원자핵의 정체는 무엇인가? 단순하게 말하면 원자핵은 전자와 양자(陽子, proton)와의 밀접한 결속 입자이다. 즉 원자에 따라서 모든 물질은 전자와 양자로 조성되었나니 이론적으로 이 두 입자만 있으면 이 세상 모든 물질을 창조할 수가 있을 것이다. 후에 상술하려니와 전자는 음전하를 소유하고 『프로톤』 즉 양자는 동량의 양전기를 대(帶)한 것이다. 원자핵은 전체로 항상 양전기를 대하고 있는고로 결국 원자핵 중에는 양자수가 전자 수보다 많다. 원자는 원자핵과 외위의 부유 전자와 함하야 구성되었으나 원자핵의 질량을 원자 전체의 질량으로 간주해도 무방하다. 그것은 전자의 질량이 비상히 적은 까닭으로 무시하는 것이다. 그런고로 원자 속에

포함된 양자수로 원자량을 표시하게 된다. 원자핵의 전기량은 원자핵 주위의 부유 전자 수로 결정되나니 예컨대 수소 원자핵의 전하는 1인고로 그 주위에 전자 수는 1개이오 힐리엄 원자핵의 전하는 2인고로 그 주위에 부유 전자 수는 2개이다. 이 원자핵 중에 양자수와 전자수와의 차(원자번호)는 매우 중요성을 대(帶)한 것으로 현재 지구상에 있는 모든 원소를 순서적으로 배열하는 데에 그 순번을 표시하는 것이다. 유명한 『뽀어』의 원소주기표도 이 원자번호대로 배열된 것이다. 또는 이 차수는 원자핵의 전기랴을 표시하는 동시에 이 차수와 동수(同數)의 전자가 원자핵 주위를 운행하고 있는 것이다.  그리고 원자핵 주위를 회전하고 있는 부유 전자의 조화로 화학 작용과 발광 작용이 일어난다. 연즉 이 원자핵은 얼마나 큰 것인가? 1. 아래 0이 12개 내달린 수 즉 1조로 일리를 제한 숫자로 표시할 수가 있는 것으로 오인이 능히 상상치 못할 만큼 적은 것이다.

- 원자물리학에 관해 역시 최규남 교수가 기고한 글들. 보어의 원자 모형을 기반으로 원자의 구조를 설명하고 있다. 여기서 말하는 양자는 양성자를 의미. 

1938.1.7. 조선일보

(중) 원자의 각 구조 성분

금일 원자 연구에 있어서 가장 중요한 8개의 성분을 열거하면 즉 전자 양자 양전자 중성자 알파입자 뉴추론 노뜌론 광입자 등인데 차등 성분에 대하야 간단하나마 소개하기로 한다.

전자(Electron) 

상술한 바와 같이 전자는 원자핵 중에나 또는 원자핵 주위에 운행하고 있는 것인데 이 양자(兩者)의 전자를 유(類)하야 원자핵 외에 있는 것을 외전자 핵내에 있는 것을 내전자라고 한다. 그러나 양자는 전연 동일의 성질을 가진 것이다. 전자의 질량은 9.01 『그람』을 1. 아래 0 27개나 달린 수로 제한 극미량이오 기대 전량(電量)은 4.774×10^-10 정전단위이다.

또 전자는 『라디움』과 여(如)한 방사능을 가지고 있는 소위 방사성 물질로부터 방사되는 『뻬타』 입자와 동일한 것이다. 전력의 대소에 대하야 일반독자는 아래와 같이 생각하면 좋다. 보통 탄환을 백억 배하면 지구의 싸이스에 근사하고 원자의 직경은 1미가량이 되며 전자의 직경은 0.1모에 가까운 미립자이다. 

(2) 양자(Proton) 

양자는 수소 원자핵인데 수소 원자는 양자와 그 주위에 1개의 부유전자로 구성되었다. 양자의 전하는 양이고 전자와 동량의 전기를 대(帶)한 것이다. 그 질량은 전자 질량의 약 이천 배나 되는 것이다. 그런고로 원자핵의 질량을 양자질량의 총합으로 생각하면 좋다. 전자 혹은 양자의 대전량은 전기량의 최소단위로 그 이하의 전기는 이 이상에 존재하지 않다.

(3) 양전자(Positron)

 양전자는 미국소장학자 『앤드손』 씨의 발명으로 씨가 1936년도 노벨물리학상을 획득한 것도 이 공로의 선물이다. 『앤드손』 씨는 소위 『윌손 노함(안개상자)』을 사용하야 우주선의 경로를 촬영한 후에 이 우주선에 관한 연구를 하였던 것이다. 씨는 자장을 가하야 우주선의 경로를 만곡케한 후 우주선의 『에너지』를 측정하였다. 『에너지』가 많을수록 만곡시키기가 어렵다. 그런데 실험 도중에 의외에도 반대 방향으로 동일한 정도로 만곡된 우주선을 발견하게 되었다. 계산하여 본즉 이것은 질량이 전자와 같고 전기부호가 서로 상반되는 2종의 입자가 존재함으로 나타나는 현상인 것을 알게 되었다. 즉 우주선 중에는 음양의 전자가 있는 것이 분명하다. 『앤드손』 씨는 이러한 발단으로 음전자의 대우가 되는 양전자를 발명하였다. 『띄랙』 기타 순정 물리학자들이 이론적으로 양전자의 존재를 예언한 것이 실제에 증명된 것이다. 양전자는 정상 원자 중에는 존재치 아니하고 우주선이라든지 기타 방사성 물질로부터 방출되는 『깸마』 선이 원자핵 중에 돌입하는 동시에 양전자와 전자가 발생하는 것이다. 이것은 원자 중에서 『깸마』선이 소지한 『에너지』 전부가 소실되고 그 허비된 『에너지』 대신으로 보통 전자와 양전자가 발생되는 것이라고 설명한다.

(4) 중성자(Neutron) 

중성자는 1932년에 영국 『채드윅』 씨가 불란서 『조리오』 부처의 실험을 기초로 하고 발명한 것이다. 중성자는 양자와 거의 동 질량의 입자로서 전기적으로 중성 즉 양음전하를 부대(不帶)한 중성입자이다. 이것은 『뻬리엄』과 여(如)한 원소에다가 알파입자를 발사하면 발생되는 것인데 원자량 1 원자가 0의 원소이다. 원자가 0이라는 것은 화학적 반응이 전면 불능한 것을 의미한 것이다. 이와 같이 화학적 무반응의 경입자인고로 물질을 자유로 관통하여 용기 중에 밀봉할 수도 없는 것이다. 인간의 신체를 자유로 관통하여도 아모 이상을 보이지 아니한다. 독일 『레나드』 씨는 일즉히 중성자의 존재를 예언한 일이 있고 영국 『라사포드』 경은 1920년에 영국왕립학사원강연회 석상에서 그 존재를 지적한 일도 있다. 원자를 파괴하는 데는 방대무쌍한 『에너지』가 필요하다. 그런고로 현 과학에 있어 이 방향의 연구가 현저한 발전을 보이지 못하는 그 주 원인도 이에 재(在)하다. 보통 물리학적 혹은 화학적 현상에서는 그와 같은 방대한 『에너지』는 불필요하다. 즉 보통 화학 작용 스펙트럼, X선의 등은 원자핵의 주위를 운행하고 있는 전자의 조화로 기(起)하는 현상이므로 수십만 뽈트로 그 목적을 완전히 달성할 수가 있으나 원자구조의 주체인 원자핵을 파괴하든지 혹은 합성하는데 있어서는 방대한 에너지가 필요하다. 그러나 이 중성자를 이용하면 대부분의 원소를 그와 같이 막대한 에너지를 불요하고도 용이히 원자핵을 파괴전환케 할 수가 있다. 그것은 중성자는 전기를 부대(不帶)한 중성입자인고로 원자핵의 외위를 회전하고 있는 전자군에게 배척을 당하지 아니하고 무난히 그 외위 전자장벽을 통과하고 원자핵 중에 침입하야 원소를 전환케 하는 것이다. 그런고로 이 중성자는 물리, 화학계뿐 아니라 생물학계, 의학계에서도 총애를 받고 있다. 상술한 4종류의 입자가 호상간 여하한 관계를 보지하고 있는가하는 문제에 관하야는 현재 과학의 이론으로는 해결하지 못한 미지수로 되어 있다. 중성자는 양전기를 대(帶)한 양자와 음전기를 대한 전자와의 결속 입자라고 설명한다. 

- 전자와 양성자 뿐만이 아니라 채드윅이 발견한 중성자와 디랙이 제안하고 앤더슨이 발견한 양전자에 대해서도 다루고 있다. 중성자와 관련해서 화학계, 생물학계, 의학계에서도 총애를 받고 있다는 것으로 보아 동위원소와 연결된 언급이 아닌가하는 느낌이.

1938.1.8. 조선일보

(5) 알파입자 

알파입자는 『힐리엄』 원소의 원자핵인데 4개의 양자와 2개의 전자로 구성되었다. 이것은 『라지움』과 여(如)한 방사성 물질이 점차 자연 붕괴되는 도중에 방출되는 것으로 공기중을 투과할 때에는 수미 이내에 흡수되고 만다. 이와 같이 원소가 변□붕괴될 때에 공(共)변□이 자연방사적 혹은 인공적을 막론하고 이 알파입자가 방출되는 것이다. 이 알파입자는 질량이 무겁고 그 『에너지』가 6백만 전자『뽈트』는 되는고로 원자파괴하는 데에 유일한 무기로 사용된다. 소위 1전자『뽈트』라는 것은 한 『뽈트』의 전압을 수(受)할 때에 전자가 소유한 『에너지』를 의미한 것이다. 이것은 매초에 약 1만2천리의 속도로 운동하나니 소총탄의 속도의 약 2만4천 배나 된다. 영국 『라사포드』 씨는 각종 원자를 알파입자로 타격하기에 가능한 장치를

고안하야냈다. 이 알파입자는 막대한 운동량을 소유한고로 원자의 외부 전자를 쉽사리 파괴하고 소위 『하이포텐샬』 성벽으로 포위된 원자핵을 공격하는 것이다. 이 성벽은 중(重)한 원소일수록 경고(硬固)하고 경(輕)한 원소 즉 질소, 붕소, 불소, 인 등은 비교적 약하다. 이와 같이 알파입자가 원자핵을 공격한 결과로는 일반원소의 핵으로부터 양자 즉 수소 핵이 일출되는 것이다. 이것이 곧 원자핵의 변질이다. 수십 개의 다른 원소를 수소로 변환케 하였다는 것은 연(鉛, 납)을 황금으로 변하게 하였다는 사실과 동일한 것이다. 그러나 과학적 견지에서는 각종 원자로부터 양자 즉 수소 핵을 방출케 하였다는 것이 한 층 더 귀중한 사실이다. 이러한 사실로부터 이 세계 각종 원소의 종극적 구성 요소가 양자와 전자라는 단언을 내릴 수 있게 되었다. 그리고 『라지움』 기타 방사성 물질로부터 자연발사되는 알파 입자의 속도와 『에너지』를 자유로 조절할 수가 있다. 이것은 전기탄환인 알파입자에 부여하는 추진력의 원동력인 전압을 자유로 조종하야 타격강도를 어느 정도로 조절할 수가 있는 것이다.

(6) 『뉴튜론노』 (Neutrino)

 『뉴튜론노』 즉 중성진(塵)은 전하를 부대(不帶)한 극소립자라고 상상하는 것으로 실제에 존재하다고 단언하기는 불능하다. 그것은 실제적으로 그 정체를 검출하야 낸 것이 아니라 관념적 입자인 까닭이다. 원자핵 내에서는 우리가 주지하는 바 『에너지』 보존 법칙이 불성립되는 경우가 있는고로 이 모순을 합리화하기 위하야 이 『뉴튜론노』라는 입자를 가정한 것이다.

(7) 뜌론(Deuton) 

이것은 유명한 중수소의 원자핵인데 양자와 중성자와의 결속입자이다. 1931년에 미국 콜롬비아대학 교수 『해롤드』 씨는 질량수 2(보통 수소의 질량수는 1이다) 되는 중수소를 발명하였다. 즉 보통 수소보다 2배나 무거운 것이다. 질량수 2의 중수소와 질량수 16의 보통 산소와 화합하면 소위 중수(重水)라는 것이 된다. 중수소를 『뜌터리럼』(Deuterium)이라고 하는고로 중수의 화학분자식을 D2O로 표한다. 보통수의 기호 즉 H2O느 우리가 너무도 잘 아는 것이다.

보통 수소의 원자핵인 양자와 구별하기 위하야 중수소의 핵을 『뜌론』이라고 명명한 것이다. 이 『뜌론』을 『리시움』에 발사하면 알파입자와 중성자가 인공적으로 방출된다. 

광입자(Photon) 

종래에 빛을 전자파라고 설명하여 왔으나 여러 가지의 모순의 현상이 생기는고로 빛을 입자라고 생각하게 되었다. 이 단위입자를 광입자라고 부르는 것이다. 광입자는 원자의 직접 구성분은 아니나 본문 초두에 술(述)한 바와 같이 원자립(粒)외의 구조가 변하든지 또는 핵 내에 『에너지』의 손실이 생길 때에는 광입자가 방사되는 것이다. 이 광입자에 대하야 좀 더 상세한 내용을 소개하고싶으나 너무도 전문적 술어가 백출하겠기에 자에 각산한다.

- 여기서는 알파입자와 함께 중성미자, 광자도 소개하고 있다. 참고로 중성미자는 관측되기 전이라 관념적 입자로 설명되고 있다.

세계학계의 최신학설 - 상대성 원리의 진부와 최근의 수리적 우주관

심형필 기고 (중앙고등학교 교장, 대한수학회 부회장 역임, 1962년 국민훈장 모란장 수훈)

1938.3.3. 동아일보

 (1)

서언

「아인슈타인」의 상대성원리가 「뉴ー톤」과 고전역학에 대한 혁명적 봉화의 동시에 시간 공간을 대상으로 한 인식론 상에 일대 파문을 일으키는 것이라 하야

일시 세인이 받은 충동은 비상히 큰 것이 있었다. 그러나 이 학설의 이론이 원체 고상한 탓으로 문외인으로서는 감히 그 윤곽이나마 그려볼 생념을 못한 것은 무가내한 사실이었다.

이리하야 상대성원리는 초고도의 불가침성을 보류하며 일반세인의 근접을 허치 않은 해 오늘에 이른 것이다. 아직도 일반은 막연한 중에도 상대성원리가 최후의 진리인 듯이 생각하고 있을는지 모르나 그 후의 소식을 들어보면 반드시 그러치도 못한 모양이다.

필자 항상 그 방면에 대한 개괄적 지식이나마 얻어보려고 유의하여 오던 중 마침 John M. Lowson 씨 저 (1935년) Science and reality라는 책 중에서 이에 관한 매우 요령 있는 논설을 보았으므로 여기에 가장 통속적으로 역술 소개하여서 과학사상 보급에 일조가 되도록 하려는 것이다. 먼저 이하 논술의 요항을 적어보면 다음과 같다.

(1) 「마이켈손・모ー레이」의 실험

(2) (휫츠제랄드)의 단축 가설

(3) 특수 상대성 원리

(4) 특수 원리의 검토

(5) 「마이켈손・모ー레이」의 실험에 대한 신해석

(6) 신가설의 일반적 서술

(7) 특수 상대성 원리의 소멸

(8) 일반 상대성 원리 (만유인력 법칙)

(9) 공간과 시간 (공간시간 연결체)

(10) 비유ー크리트 기하학

(11) 유한무제(無際)한 우주

(12) 확산적 우주

(13) 일반 상대성 원리의 확장

(14) 일반 상대성 원리는 허위

(15) 물리적 과학의 기하학화

『마이켈손・모ー레이』의 실험

1887년에 행한 『마이켈손・모ー레이』(Michelson-Moley)의 실험의 목적은 『에ー델』에 대한 지구의 운동을 측정하자는 데 있었던 것이다. 만일 지구가 절대 정지해 있는 『에ー델』 중을 통해서 그 궤도상을 진행한다고 가정하면 상대적으로 보아서 『에ー델』이 지구에 대해서 유동하는 것으로 생각할 수도 있는 것이다.

이 실험의 장치는 일종의 간섭계인데 사십오도의 각도로 초자(硝子, 유리)판에 입사된 일속의 광선이 일부는 반사하고 일부는 통과해서 서로 직각되는 두 방향으로 동일한 거리를 진행한 후에 면경(面鏡)에서 다시 반사되어 출발점으로 귀환하게 마련이다.

이 간섭계의 위치를 조절해서 두 방향으로 사출된 광선 중 하나가 지구의 운동 방향과 일치되도록 하여 놓으면 다른 하나는 그와 수직 방향이 될 것이다.

만일 『에ー델』이 지구에 대해서 흘러가(상대적으로 보아서)는 것이 사실이라면 이 간섭계에 입사된 광선 중 지구의 운동 방향으로 왕복하는 놈이 그와 수직 방향으로 왕복하는 놈보다 시간이 더 걸린다는 것은 용이하게 계산해낼 수가 있는 것이다.

그렇다고 하면 출발점으로 다시 돌아오는 두 갈래의 광선은 보조가 약간 맞지 않게 될 것이며 그 결과로 간섭호(Interference Fringes=색대)가 나타날 것은 필연이라고 확호한 기대를 가지고 실험을 해보았으나 이와 같은 간섭호가 나타나지 않는 것을 보면 지구 운동 방향으로 갔다온 광선이나 그와 수직 방향으로 갔다온 광선이나 꼭 같은 시간을 요하였다는 것을 알 수가 있다. 동일한 원리 하에서 무수히 실험을 거듭하였으나 매양 같은 결과 즉 그렇다 할 만한 간섭 현상이 나타나지 않았다. 극히 소범위의 간섭호가 나타나기는 하였으나 그것은 기계장치의 수반하는 오차로 무시할 수가 있다는데 대부분의 관측자가 일치하였으나 다만 Dayton C. Miller 교수 외의 몇 사람만이 미소한 간섭호에 무슨 심장한 의미가 있을 것이라고 고집하여 왔다.

휫츠제란드(Fity Gerald)의 단축가설

실험결과가 예상과 같지 않은데 대한 합리적 설명을 탐구하게 되었다. 점착성 『에ー델』(diragged ether)의 가설은 지지될 수 없다는 것이 판명되었으며 일반이 용인하는 가설로는 휫츠제랄드의 단축가설인데 이 가설에 의하면 급속히 운동하고 있는 물체는 그 운동 방향으로 기럭지가 단축해진다는 것이다.

만일 이것이 사실이라고 하면 마이켈손・모ー레이의 실험에 있어서도 간섭계가 지구와 같이 운동하는 것이므로 지구 운동 방향으로 놓인 기럭지가 단축할 것이며 따라서 두 갈래의 광선이 동일한 시간을 요하게 될 것이라고 한다.

로ー렌츠(Lorentz)가 이론적으로 이 단축은 물질의 전기적 이론에서 예기된 바와 일치한다는 것을 증명한 이래 이 사건은 더욱 확정으로 된 듯하다.

 그렇지만 여러 가지의 광학적 또는 전기적 실험에서는 이 단축 현상은 나타나지 않았다.

특수 상대성 원리

1905년에 아인슈타인(Einstein)은 이 사건에 대한 국면을 좀 더 일반적 견해로 취급하였다. 마이켈손・모ー레이의 실험의 부정적 결과와 로ー렌츠의 이론적 계산을 근거 삼아 그는 대담하게 일반적 결론으로 비약해버렸다.

그는 우리들이 공간이나 또는 『에ー델』에 대한 아모런 절대적 운동도 인식할 도리가 없다는 것과 따라서 절대 속도라는 생각은 무의미한 것이라고 억단해버렸다.

이미 절대 속도가 무의미한 이상 『에ー델』의 유동 같은 사실이 나타날 리가 없다는 것이다. 그리고 아래와 같은 기괴한 가정을 세웠다.

(A) 진공 중을 전달하는 광선의 속도는 여하한 관측자에 대해서도 일정하다.

(B) 일반화된 뉴ー톤식 상대율은 정당하다. 즉 만일 좌표계 K가 좌표계의에 대해서 정지해 있다고 가정하면 K에 관해서 진행되는 자연현상은 K에 관해서 논의되는 법칙과 전연 동일한 법칙에 준행한다는 것이다. 『아인슈타인』은 자연현상을 서술하는데 당해서

한 개 K 좌표계가 다른 좌표계보다 우월할 수는 없을 것이라고 추정하였다. 그는 사차원 세계 혹은 공간시간연합세계 pace-time continnum에 관한 『민코우스키』(Minkouski)의 개념을 적용해가지고 『로렌츠』 변환이라는 방정식에 의하야 사차원 세계에 발생한 한 개의 사건의 위치가 어떠한 좌표계에 관해서 결정이 된 때에 그것이 다른 좌표계 내에서 어떤 모양으로 결정되는가 하는 것을 표시하였다.

- 수학자가 기고한 상대성 이론에 대한 일련의 칼럼 시리즈. 그 유명한 마이컬슨-몰리 실험에 대해 에테르, 간섭계, 실험 방법과 원리 등을 상세히 서술하였다. 또한 아인슈타인이 제시한 상대성 원리와 광속 불변 원리도 설명하고 있다.

1938.3.4. 동아일보

(2)

특수 상대성 원리의 기본 원칙은 온갖 기럭지와 시간의 측도가 관측자의 운동 상태에 관계한다는 것의 점에 있다. 여기에 한 가지 부기할 것은 아인슈타인이 휫츠제랄드의 단축가설을 용□하였다는 것과 또 그것이 마이켈손・모ー레이의 실험결과에 대해서 정당한 해석을 주는 것이라고 인정한 것이다. 그러나 그는 자기의 이론이 이 사실에 대하야 한 층 더 일반적이고 또 충분한 설명을 주는 것이라고 주장하였다.

그의 학설에 의하면 진공 중으로 전달하는 빛의 속도는 어떠한 관측자에 대해서도 일정 불변하다는 것이다. 즉 관측자가 속하고 있는 좌표계가 어떠한 속도로 운동하는지 상관 없이 그들에게는 광속도가 일정하게 보인다는 것인데 그것은 단순히 각 관측자의 시간과 기럭지의 평가가 그들의 운동 속도에 관계하는 까닭이라고 한다. 이 광속도 불변이라는 것이 마이켈손・모ー레이의 실험의 영적 결과에 대한 설명을 주는 것은 물론이다.

기럭지 시간 질량 동시성 등에 관련된 여러 가지 기묘한 관념이 특수 상대성 원리에서 우러나오는 것이다. 기럭지와 시간의 평가에 당하야 상대적 운동의 효과는 적은 속도에 대해서는 보잘 것이 없으나 만일 우리의 좌표계가 매초 십육만 일천리라는 광대한 속력으로 운동한다고 가정하면 우리의 일척의 척도(자막대기)는 육촌(吋)으로 단축해버리고 우리의 시계는 매일 십이 시간을 잃어버리게 된다는 것이다.

이때에 우리와 상격해 있는 다른 좌표계의 관측자는 이 단축사실을 인지하는 수 있지만 우리 자신은 이 사실을 전연 인식치 못할 것이다. 웬 그런고 하면 확실히 우리들의 망막도 이에 상응한 단축이 생기는 까닭이다. 만일 우리가 광선과 같은 속력으로 달아난다고 가정한다면 그때에는 우리의 자(尺)는 기럭지가 0이 되고 시계는 매일 이십사 시간을 잃어버리게 될 것이요 동시에 우리의 몸집(운동방향의 신폭)은 0이 되고 우리 질량은 무한대가 된다는 것이다.

특수 상대성 원리는 왕왕 다음과 같은 아주 용이히 이해할 수 있는 개념의 일반화 내지 확장에 불과한 것으로 생각되기도 하였었다. 즉 A와 B 두 사람의 관측자가 급속히 상리(相離)할 때에는 광선도 한곳에서 다른 곳까지 가는데 시간을 요하는 것이므로 B에서 본 A의 시계, 혹은 A에서 본 B의 시계가 시간을 잃어버리는 것 같이 보일 것이며 동일한 이치로 B에서 본 A의 척도가 단축해 보인다는 것이다. 이와 같이 휫츠제랄드의 단축은 다만 그렇게 보일 뿐이요 사실 단축하는 것은 아니다.

문제가 여기에 그친다면 특수 상대성 원리는 그것이 범한 여러 가지의 곤란을 창조해놓지는 않았을 것이다. 시간이나 기럭지 평가의 상대성을 진술하는 것보다 한 층 더 중대한 것은 진공 중을 통과하는 광속도가 어떠한 관측자에 대해서도 일정하다는 것과 『에ー델』의 유동 같은 것은 없다는 가정이다.

특수 상대성 원리의 검토

여기에 특수 상대성 원리는 승인될 수 없다는 제언이 있다. 즉 그의 기초가 되는 가정과 두 개의 가설은 의문의 여지가 많다는 것이다.

지구나 기타 천체는 설사 그 절대 속도는 결정할 수가 없다 하더래도 그것들이 『에ー델』 혹은 『에ー델』이 없다고 하면 공간을  통하야 운행하는 것은 의심할 수 없다. 또 물론 광선은 『에ー델』이나 공간을 전달하는데 그것은 즉각적은 아니다. 그렇다고 하면 절대 속도가 무의미하다는 말과 『에ー델』 유동에 해당한 것이 있을 수 없다는 것은 매우 우스운 일이다. 그것은 물체가 공간을 통하야 움직이는데도 불구하고 그것이 움직이지 않는다는 말과 흡사하다. 특수 상대성 원리 속에 불가사의한 형이상학적 개념이 아니고서는 도저히 이해할 수 없는 여러 가지 기묘한 관념을 도입한 것이 실로 이 기초 가설의 소위라는 것은 두말할 것도 없다. 

데ー톤밀라(Dayton Millar) 외의 몇 사람은 『에ー델』을 통한 절대 운동 내지 『에ー델』의 유동이 실험적으로 확정되었다고 주장한다.

기초 가정과 떠나서 생각할 때에 특수 원리의 첫째 가설은 참으로 괴상스러운 말이다. 『에ー델』에 대해서 정지해 있는 좌표계 상의 관측자에 대해서는 그와 멀리 떨어져 있는 진공 중의 광속도가 『에ー델』 중의 광속도와 동일하다고 할 수 있으나 『에ー델』에 대해서 운동하고 있는 관측자에 대해서도 그 운동방면의 여하를 막론하고 진공 중의 광속도가 동일하게 보인다는 것과 또는 그것이 곧 『에ー델』 중의 광속도와 같다는 것은 기괴하지 아니할 수 없다. 위에서도 말한 바와 같이 『아인슈타인』의 광속도 불변의 가설은 『로ー렌츠』의 이론적 계산에 근거를 둔 것이오 이에 대한 아무런 실험적 증거가 있는 것은 아니다. 간혹 『마이켈손。모ー레이』의 실험이 운동하는 좌표계 상에서도 어느 방향으로나 광속도가 동일하다는 것을 입증하는 것이라고 말하는 이가 있으나 그것은 착오다. 이 실험결과에서 추계할 수 있는 것은 단지 광선이 동일한 거리를 왕복(to-and-from)하는 데 요하는 시간이 어느 방향을 물론하고 동일하게 보인다는 것뿐이다. 끝으로 한가지 주의할 것은 모두 실지 측정에 당해서는 광선의 속도로 우리는 모 거리를 왕복하는 평균 속도를 취한다는 사실이다. 

둘째 가설에 관해서는 지금은 간단하게 다음과 같은 단정을 내릴 수가 있다. 즉 일반화된 특수 상대성 원리는 아인슈타인이 명언한 바와 같은 절대 보편적 의미로서는 보장될 수 없다는 말이다.

예컨대 만일 한 물체(혹은 광선)가 X계에 대해서 일정한 속도로 직선 운동을 한다고 할 때에 그것이 X계에 대해서 일정한 직선 운동을 하고 있는 X'계에 대해서도 꼭 같은 일정한 속도로 운동하지 않으면 안 된다고 믿을 필요는 없는 것이다.

『휫츠제랄드』의 단축 가설로 광선이 일정한 거리를 왕복(to-and-from journey)하는 시간이 어느 방향으로나 동일하다는 것을 지시하는 『마이켈손・모ー레이』의 실험결과를 설명할 수 있다는 것은 수학적으로 간단히 증명되는 것이다. 그렇지만 이것은 광선이 일정한 편로를 진행(single journey)하는 시간이 방향에 무관하게 동일하다는 가정과는 모순이 되며 또 전연 개별의 판단이다.

『아인슈타인』의 첫째 가설이 옳다고 하면 광선이 지구와 동 방향으로 진행할 때에는 단축이 생겨야하고 지구와 반대 방향으로 역행할 때에는 신장이 생겨야 할 것이다. 『아인슈타인』의 가설의 모순에 대해서 다음의 사실을 상기한다면 별로 놀랄 필요가 없는 것이다. 본래 『휫츠제랄드』의 단축가설은 『에ー델』이 유동한다는 가상 하에서 『마이켈손・모ー레이』의 실험의 결과가 나타나지 않는 이유를 설명하기 위하야 제출된 데 반하야 『아인슈타인』 학설은 이와 같은 『에ー델』이 유동을 전연 부인한 데서 생겨난 것이다. 그렇지만 『아인슈타인』도 『휫츠제랄드』의 단축을 승인하고 또 그것이 『마이켈손・모ー레이』의 실험을 정확히 설명하는 것이라고 말한다. 이상 거론한 여러 가지 사실은 결국 특수 상대성 원리가 허위라는 것을 암시는 것이다.

- 여기서는 앞에서 본 특수 상대성 이론의 가정은 근거로 시간 지연과 길이 수축에 대해서 언급하고 있다. 그 반면에 바로 다음 장에서는 특수 상대성 원리가 허위라(고 주장하)는 내용을 보여주고 있다.

1938.3.5. 동아일보

(3)

마이켈손・모ー레이의 실험의 신해석

그러면 휫츠제랄드의 단축설이 정당하며 또 그것이 마이켈손・모ー레이의 실험을 적확히 설명하느냐 하면 그렇다고 단정할 수는 없다. 위에서도 말한 바와 같이 이 단축설은 본래 실험의 부정적 결과를 설명하기 위하야 주장된 것으로 그것의 일반적 승인은 대개 로ー렌츠의 물질전기론의 기인한 이론적 계산에 힘입었던 것이다. 그런데 로ー렌츠의 이론은 오늘날 와서는 의문의 여지가 많다는 것이다. 마이켈손・모ー레이의 실험은 다음에 말하는 신학설에 의하야 더욱 만족히 설명이 되는 것이다.

지구가 『에ー델』을 통하야 운동할 때에는 지구의 중력장, 따라서 중력선이 지구와 같이 『에ー델』 중을 전진하게 될 것이다. 이 때문에 『에ー델』 중을 전도하는 광선의 속도가 그 방향에 의하야 변화하게 된다는 것이 신가설이다. 마이켈손・모ー레이의 실험에서는 광선이 운동하는 중력장을 전달하는 셈이다.

동시에 간섭계 내에는 (상대적으로) 『에ー델』의 유동이 존재하는 것으로 볼 수 있는 것이다. 이제 만일 『에ー델』을 통하야 전달하는 광선의 속도가 지구의 운동 방향으로는 지구의 속도만치 늘고 반대 방향으로는 그만치 준다고 가정하면 광선이 간섭계 내에서 동일한 거리를 왕복하는 시간은 방향에 무관하고 동일할 뿐만 아니라 동일한 편로를 전달하는 시간까지도 방향에 무관하게 동일하다는 것은 수학적으로 간단히 증명할 수가 있는 것이며 이로써 마이켈손・모ー레이의 실험의 영적 결과도 훌륭히 설명되는 것이다. 여기에서 잠깐 1925~26년에 행한 실험 결과에 대한 데이톤・밀라의 재해석(1933년)을 고려할 필요가 있다. 

이 재해석에서 그는 실험에 나타나는 미소한 간섭호(Interference fringes)를 신견해로 고찰해가지고 그것이야말로 태양계의 절대적 운동의 정량적 결정과 동시에 지구 운동의 영향의 실증적 결정으로 유도하는 최초의 현상이라고 말하였다. 다만 이와 같이하야 산정되는 지구의 공전 속도가 지금까지의 알려진 속도인 매초 30천(粁)에 대해서 20분의 1밖에 안 되는 것을 발견하였으며 궤도 방향의 분속도와 우주 방향의 분속도(Cosmic component)가 간섭계 내에서도 동률로 감소되었으리라는 추측 하에 태양계의 우주적 속도를 산출하였다.

밀라ー는 실험에 나타난 간섭호(색대)가 『에ー델』 유동의 전부를 표시하는 것은 아니라는 것을 인정하는 동시에 지구의 공전 속도와 우주 속도가 간섭계 내에서 그와 같은 감소를 표시하는데 대해서는 무슨 다른 설명이 있지 않으면 안 될 것이라고 생각하였다.

그래서 그는 수정된 로ー렌츠・휫츠제랄드의 단축설을 인정하거나 그렇지 않으면 스토ー크가 제창한 것과 같은 점착성 『에ー델』을 가정할 필요가 있다는 것을 암시하였다.

그런데 위에서 말한 신중력설을 채용하면 이런 가정이 하나도 필요치 않게 된다. 마이켈손・모ー레이의 실험의 영적 결과(가상)를 설명하기 위하여서는 운동 중에 있는 중력장의 『에ー델』을 전달하는 광속도의 변화량이 꼭 『에ー델』의 유동의 영향을 말살하기에 충분하다고 가정할 필요가 있었으나 『밀라ー』의 재해석에서는 이와 같은 가정은 불필요하게 된다. 중력장에서의 광속도의 변화량은 이보다 적을 뿐만 아니라 간섭계 내의 편로(Single journeys)에 대한 광선의 속도는 방향을 따라서 동일하지 않게 된다. 한걸음 더 나가서 말한다면 『에ー델』 중에서의 광속도는 운동 상태에 있는 좌표계의 중력장을 통과할 때에는 변화하는 것인데 그 변화량은 중력장의 강도와 좌표계의 속도에 관계한다는 것이다. 특별한 예로 지구가 좌표계가 된 때에 만일 광속도의 변화가 과부족 없이 꼭 『에ー델』 유동의 영향을 말살하기에 알맞다고 한다면 그것이야말로 가장 특이한 일이라고 할 것이다.

신가설의 일반적 서술

중력장에서의 광속도 변화에 관한 신가설의 일반적 서술이 있으니 그것은 광선이 광대한 물체(말하자면 일정한 중력장)에서 격리해 있는 성간 『에ー델』 내에서는 대개 일정한 속도를 가지고 있으나 광선이 강대한 중력장을 통과할 때에는 그 속도가 양(量)으로 변화할 뿐 아니라 그 방향도 변화하는데 차등 변화는 중력장의 성질 및 강약은 물체의 질량, 배열, 거리 등에 관계한다는 것이다. 운동 중에 있는 좌표계(Framework) 상에서는 『에ー델』 중의 광속도는 방향을 따라서 변화하는데 그 양은 운동 방향에서 최대하고 그와 반대 방향에서 최소하다는 것이며 어느 경우에 있어서나 광속도 변화의 범위는 극미하다는 것이다.

최근 불국의 대물리학자 (Carvallo) 교수는 밀라ー의 실험과 및 파리천문대장(M. Escalgon)이 행한 동양(同樣)의 실험을 고려해가지고 다음과 같은 결론을 내리었다. 즉 상대성 원리는 허위요 또 광속도 불변이란 황당한 말이다. Nature 지에서 Gheury de Bray는 수 년간을 두고 광선의 속도가 극미한 영년적 변화(Secular variation)을 하고 있다는 것을 보장하야 왔었는데 중력가설에 의하면 이 변화는 지구 중력장이 강약의 변화, 다시 말하면 그 소위 중력상수 G의 변화에 기인하는 것이라고 설명할 수가 있는 것이다. 그리고 지구 중력장의 극미한 변화는 태양계의 항성에 대한 위치변동 즉 태양계의 우주운동에 의하야 생길 수 있는 것이다. 1932년 1월 2일 Nature지에 보낸 서중에서 Tomaschek와 Schaffernight는 그들이 중력상수 G의 주기적 변화의 확증을 얻었는데 그것이 G의 천만분의 일에 불과하지만 『에ー델』을 통한 지구의 우주운동에 기인하는 G의 변화는 이 정도를 넘지 못할 것이라고 암시하였으나 이것을 가지고 종극적이라고 인정할 것은 못 된다.

특수 상대성 원리의 소멸

만일 이 신가설이 마이켈손・모ー레이의 실험에 대하야 진정한 설명을 준다면 휫츠제랄드의 단축가설이나 아인슈타인의 특수원리는 소멸되는 것이다. 따라서 우리는 특수원리가 조작하는 기럭지와 시간의 상대성 마몽에서 벗어날 수가 있는 것이다. 우리들은 시간공간을 예전 법대로 인식하여도 좋으니 즉 우리의 척도는 우리의 눈을 속이지 않으며 우리의 시계는 보통대로 간다. 그것들은 온도나 기타의 물리적 조건에 의하여서만 변화하고 운동 정도에는 하등 관계가 없게 된다.

뿐만 아니라 우리들은 동시성(Simultanerty)에 대해서 종전의 유쾌한 관념으로 복귀할 수 있는 것이다.

우리가 모든 관측자와는 무관하게 객관적으로 동시적인 사건을 사유할 수가 있다는 것은 의심할 여지가 없다. 그렇지만 두 가지 사건의 동시적 또는 부동시적을 인식하는 데 당해서는 관측과 계산에 의하는 것이며 사건의 인식을 위해서는 언제나 추리가 포함되는 것이다. 그리고 두 사건의 동시적 인식은 반드시 두 사건이 동시적 존재를 의미하는 것은 아니다.  

또 한편으로는 두 개의 동시적 사건의 인식은 대개가 비동시적인 것이다. 그렇지만 우주 내의 사건에 관해서 측정과 계산을 행할 때에는 우리가 짐작해야 할 또 한 가지 요소가 있으니 그것은 즉 거대한 물체의 중력장(특히 그 물체가 급속히 운동하는 때)에서의 광속도 변화라는 것이다. 실로 여기에 대한 정당한 짐작을 하기는 비상히 곤란하다는 것보다도 좀 더 확실힘 말하자면 불가능하다고 할 것인데 그것은 마치 『에ー델』을 통해서의 중력의 작용을 짐작하기가 불가능한 것과 방사(倣似)하다.

아인슈타인의 시간과 기럭지 평가에 관한 상대성 이론은 설사 그것이 틀리기는 하였으나 중력장에서의 광속도 변화를 어느 정도까지 간접적으로나마 짐작하였다. 그리고 이 아래서 서술하겠지만 아인슈타인은 동가 관성장(Squivolent inertial field)의 이론을 써가지고 중력의 고려를 전연 기만해버렸다. 그리해서 중력장에서의 물체의 운동을 형식적이고 운동학적이기는 하나 정확하게 설명할 수가 있었다. 뉴ー톤이나 고전역학은 도저히 이와 대등할 만한 짐작을 못하였던 것이다. 그래서 아인슈타인은 천체의 운동 내지 위치에 관해서 한 층 정확한 계산과 단정을 하였다는 것과 또는 고전역학이 기도(企圖)할 수 없는 모종의 애매한 문제에 대하야 해답을 준 점으로 보아서 성공하였다고 할 것이다.

- 여기서는 밀러가 '사실은 광속이 중력장에 의해 변하기 때문에 이걸 통해서 에테르를 긍정하며 마이컬슨-몰리 실험을 설명할 수 있다!'고 주장한 내용이고, 그것이 제일 잘 설명해준다고 말하고 있다. 즉 특수 상대성 이론은 결국 틀렸다는 내용의 글인 것이다. 마지막 문단에서 '아인슈타인이 틀리기는 했으나 그래도 잘했다'고 하는 것은 현재의 시점에서 보면 좀 웃긴 셈이다.

1938.3.6. 동아일보

(4)

일반상대성원리ー만유인력

1925년에 발표된 일반원리는 특수원리의 확장으로 적용된 것보다도 한 층 더 일반적인 상대율을 적용하자는데 그 근거를 둔 것이다. 특수원리에서는 상대적으로 일정한 직선운동(회전운동을 포함치 않은)을 하는 좌표계들은 자연현상을 반술(叛述)하는데 당하야 전연 동가(同價)인 것을 주장하거니와 일반원리는 운동 종류의 여하를 막론하고 모든 좌표계는 자연현상에 대하야 동가로 취급할 수가 있다는 것이다.

즉 차등 동가인 모든 좌표계는 순전히 상대적이며 따라서 모든 좌표계 상의 관측자에 의한 자연현상의 서술 내지 설명은 순전히 상대적이라는 것이다. 모든 좌표계의 동가를 보장하는 자연현상 내지 자연법칙의 설명을 발견하기 위하여서는 실로 심오한 탐색이 필요할 것이다. 탐색의 출발저에서부터 문제가 되는 것이 만유인력 문제이며 일반상대성원리가 주로 취급한 것도 이 만유인력과그 역장(力場)에 관한 문제였다. 『아인슈타인』의 인력에 관한 설명과 그의 인력 법칙은 사차원 세계(Space-tie continuum)의 기하학 내지 측도적 성질에 대한 수학적 연구에서 해득한 것이다. 『에딩톤』(Eddington)이 말한 바와 같이 아인슈타인은 『절대에 대한 의문이 사차원세계로 유도하였다』고 만족하고 있다.

공간과 시간ー공간시간연합세계 (사차원 세계)

위에서도 말한 바와 같이 『아인슈타인』은 『민코우스키』의 사차원 세계 즉 공간시간연합세계의 개념을 적용하였다. 공간과 시간은 자연계에 발생하는 현상 또는 사건의 동재(同在)와 순서에 대한 오인(吾人)의 심적 이해에 기인하는 순연한 추상적 관념 혹은 개념에 불과한 것이다. 원래 공간이란 것은 그중에 물체가 존재하고 그중에서 물체가 운동할 수 있는 공허(Emptiness) 그것으로 생각해왔다.

오늘날 우리가 그것이 공기나 『에ー델』 같은 것으로 꽉 차 있을는지도 모르겠다고 하지만 추상력에 의하야 상하사방으로 무한히 뻗쳐 있는 텅 비인 공간을 생각할 수 있는 것이다. 텅 비인 공간이 한계가 있다고는 생각할 수 없는 일이다. 변화라는 것이 시간 개념의 본질인즉 우리는 시간은 우주 진화가 시작한 때부터 비롯하야 우주 진화가 존속할 때까지 영속할 것이라고 생각한다. 우리들은 공간 중의 한 점을 또는 시간 상의 일각(一刻)을 절대적으로 결정할 수는 없는 것이며 또 기럭지나 시간을 재는 절대적 단위도 갖지 못하였다. 여기에 말하는 사차원 세계(Space-time continuum)라는 것도 공간 개념과 시간 개념의 결합인즉 엄밀히 말하자면 매우 편리한 한 개의 수학적 개념에 불과한 것이다.

19세기의 물리학자들은 『에ー델』을 공간개념에 결합시키기 때문에 그들에게는 공간이 순연한 개념이 아니었었다. 또 상대성론자들도 공간이나 또는 사차원 세계에 대해서 곡률(Curvature) 같은 물리적 성질을 부여했기 때문에 동양(同樣)의 착오를 범하였다. 이리하야 사차원 세계는 마치 상대성론자의 『에ー델』격으로 생각하게 되었다.

공간은 삼차원이다. 우리들은 공간에서 서로 수직되는 세 방향으로 기럭지를 측도할 수 있다.

공간 중의 한 점의 위치를 결정하려면 세 개의 좌표(한 점을 통해서 서로 수직되는 세 직선 중 두 직선식을 포함하는 세 개 평면을 좌표면이라고 하는데 모 점에서 좌표면까지의 거리가 즉 그 점의 좌표임)를 요하는고로 보통 공간은 점의 삼차다양성(Three-dimensional manifold)이라고 한다. 평면은 점의 이차다양성이요 사차원세계는 공간과 시간의 점의 사차다양성이다.

여기에는 세 개의 공간좌표와 한 개의 시간좌표가 있다. 엄밀하게 말한다면 공간이란 말은 점의 삼차다양성으로 보류하는 것이 옳을 것이다.

그렇지만 해석기하학에서는 수학자들이 유추에 의하야 공간이란 말을 여러 종류의 다양성에 대한 한 층 광범한 기하학적 의미로 사용하고 있다. 예를 들면 공간시간연합세계를 사차원공간이라고 말하며 시간을 이 공간의 제4차라고 한다. 그러나 이 시간차(次)라는 것은 공간차에 준해서 상상될 뿐이다.

비유ー쿠리트 기하학

19세기에 『로바치에우스키』(Lobatchewsky 1793~1856)와 『리ー만』(Riemarn, 1826~1866)의 두 사람은 그들의 소위 비유ー쿠리트 기하학이라는 것을 발명하였다.

『유ー쿠리트』의 평행선 공리(한 직선 외의 한 점을 통해서 이 직선에 평행되는 직선은 하나뿐이다)를 의심한데서 발원하야 각각 유ー쿠리트 기하학과는 별개인 완전무비한 신기하학을 논리적으로 유도하였다. 그렇지만 자세히 검사해보면 이들의 기하학은 유ー쿠리트적 평면상의 기하학이 아니라 특별한 종류의 곡면기하학이라는 것을알 수가 있다.

유ー쿠리트식 평면기하학은 일종의 이상화한 기하학이란 것을 잊어서는 안 된다. 그는 이상적 점, 이상적 직선, 이상적 평면 그리고 정지 상태에 있는 빈 공간 내의 이상적 평면도형을 논한 것이다.

그러므로 그는 그의 직선과 평면은 무한히 연장할 수 있고 그의 도형은 모양이 변하지 않게 이동 내지 중첩시킬 수 있는 것으로 상상하였다. 그리고 공리 중의 몇 개가 의심이 난다는 것은 다만 유ー쿠리트식 평면기하학을 경험적 세계에 응용하려고 할 때에 한한 말이다. 여러가지 조건을 짐작한 결과 리ー만 기하학이 더욱 경험세계에 적합한다는 것과 또 공간의 기하학은 리ー만 기하학과 비유ー쿠리트 기하학이라고 인정하게 되었다. 리ー만은 물질과 『에ー델』의 기인하는 어떤 영향을 공간의 성질로 생각한 모양이다. 그리해서 그는 공간이 휘었다는 생각과 한 걸음 더 나아가서 유한하지만 끝은 없는 우주를 상념하게까지 된 것이다. 일반상대성원리의 전개에 당하야 아인슈타인은 이와 동양(同樣)의 상념에 도달하였다. 그리고 가우스 좌표와 리ー만 기하학과 텐솔 해석에 의하야 사차원세계의 허곡률과 그에 관련된 기하학적 또는 측도적 성질을 연구하였다.

유한(有限)하고 무제(無際)한 우주

(The Fiuite but Urboun ded Universe)

사차원세계의 곡률이란 것이 한 개의 수학적 상상물에 불과한 것임으로 유한무제한 우주 말하자면 휘어서 다시 돌아드는 그런 우주의 개념이란 것도 아무런 실제와 상응하는 것이 아니라고 믿을 이유가 있는 것이다. 차라리 우리들이 망원경을 가지고 공간을 한끝 깊이 뒤져볼 때에 백만이 넘는 나상(螺狀)성운이 우리에게서 멀리 갈수록 그 숫자가 점점 희소해가다가 마지막엔 하나도 없어진다는 것을 알 수가 있으며 훨씬 더 멀리 간다면 『에ー델』 자신까지도 끝이 나고 진정으로 아무 것도 없는 공허 그물건이 나타날 것을 생각하게 된다.

확산하는 우주

우주에 대한 또 한가지 심오한 이론적 학설이 최근에 제창되었으니 그것은 우주가 확산 상태에 있다는 것이며 이 확산 작용의 한 가지 현상으로 나상성운들이 호상(互相) 거리가 멀어지고 있다는 것이다. 성운에 대한 망원경 관측에 의하면 성운의 스펙톨선이 적색부로 이동을 표시한다는 것인데 이것은 나상성운이 우리로부터 급속히 멀리 달아나고 있는 까닭이라고 해석할 수가 있다는 것이다. 이것이 이 학설에대한 유일한 실험적 증좌이다.

스펙톨선 이동에 대한 또 한 가지 설명이 있으니 그것은 광선이 멀고 먼 성운에서 진행해오는 사이에 그 세력이 쇠약해져서 진동주기가 늘어지는 까닭이라고 하는 것이다. 추측컨대 이 소실된 『에넬기ー』는 성간에 미만한 우주진(塵) 속으로 잠입해버리고 마는 것이겠지 그렇지만 만일 『에ー델』이란 것이 우주 『에넬기ー』의 본성이고 광양자(Light Photon)가 질량 『에넬기ー』의 양자(Quanta)라고 한다면 질량 『에넬기ー』의 미소한 부분이 『에ー델』 중에 흡수되었다가 다시 우주 『에넬기ー』로 복귀하는 것이나 아닐까?

- 여기에서는 아인슈타인이 시공간을 하나로 묶은 4차원 세계를 도입하여 일반 상대성 이론을 주장하였다는 것을 설명하고 있다. 그 다음에는 잠시 비유클리드 기하학(또는 위상수학)에 관한 기초적인 설명을 한 후 이를 사차원세계에 적용하고 있다. 마지막에서는 적색 편이를 언급하면서 이것이 우주 팽창을 의미할 수도 있다고 설명하고 있다.

1938.3.8. 동아일보

(5)

일반상대원리의 확장

아인슈타인은 그가 어떻게 해서 일반상대성원리와 만유인력론에 도달하였는가 하는 것을 여러 가지 비유를 끌어서 설명하였다. 한가지 경우로 그는 한 사람의 관측자가 중력(만유인력)의 영향이 도무지 미치지 않는 곳에 놓인 큰 상자(Chert) 속에 들어가 있는 것을 상상하였다. 그래서 이 상자가 정지해 있다고 하면 이 사람에게는 무게(중량)라든지  장력 같은 아무런 중력적 감각도 없을 터이다. 이제 상자 바깥 꼭대기에다가 밧줄을 매가지고 어떠한 방법으로든지 이 밧줄을 상방으로 끌어올려서 상자에 일정한 가속적 운동을 준다고 하면 상자 외부에 정지해 있는 좌표계 X 상에 있는 관측자에게는 이 상자가 상방으로 가속운동을 하는 것으로 보이겠지만 상자 내 즉 좌표계 X' 상에 있는 관측자는 이때에 지구상에서와 같은 일종의 중력작용으로 감각할 것이다. 다시 말하면 상자 외부의 관측자가 가속도 운동으로 보는 것을 상자 내의 관측자는 중력 작용으로 본다는 것이다.

한 걸음 더 나아가서 생각한다면 상자 외의 좌표계 X 상의 관측자에 눈에는 직선운동으로 보이는 광선이나 기타 물체의 운동도 상자 내 즉 좌표계 X' 상에 있는 관측자에게는 곡선운동으로 인식된다는 것이다. 이와 같은 생각에서 아인슈타인은 다음의 결론을 내렸다. 중력장이란 그 효과에 있어서 관측자가 속해 있는 좌표계에 대해서 일정한 가속도 운동을 줌으로 생기는 인위적 역장(力場)과 동등하다. 이것이 그의 동가(同價)원리의 대의였다. 그는 중력장 내의 물체의 운동을 중력을 전연 고려치 않고 단순한 가속도 운동과 동가로 해석할 수 있다고 생각하였다.

아인슈타인이 상자 속의 사람을 상상해가지고 외관 상의 중력적 효과와 상자의 가속도 운동이 동가라는 것을 인정하는 동시에 상자에 대하야 가속운동을 일으켜주는 원동력에 해당하는 중력도 없다고 생각하였던 것이다. 그러므로 실지 중력장의 경우에 대해서까지 중력과 같은 것은 없다고 결론하였다. 『에딩톤』은 줄이 끊어져 자유로 낙하하는 승강기를 상상함으로써 아인슈타인과 같은 결론에 도달하였다. 이 경우에 있어서는 승강기를 가속도적으로 낙하하게 하는 힘이 실지의 중력인 점이 매우 흥미가 있는 것이다. 이때에 정지해 있는 좌표계 즉 승강기 속에 있는 관측자는 아무런 중력 감각도없이 외부를 내다볼 때에 다만 지구가 자기에게 향해서조차 올라오는 것을 깨달을 따름일 것이다. 

지구를 끌어올리는 중력이 있다는 것이 우스운 것과 마찬가지로 승강기를 끌어내리는 중력이 있다는 것도 우스운 말이라고 할 것이다. 이와 같은 생각에서 아인슈타인은 만유인력에 관련된 현상을 설명하는 데 당하야서는 힘 대신에 기하학을 채용하게 되었다. 그리하야 만유인력은 만유인력장의 기하학적 성질의 어구로 설명할 것이요 만유인력이라는 작용에 의하야 설명할 것이 아니라고 결론하였다. 『에딩톤』의 말에 의하면 아인슈타인은 만일에 사차원세계가 어떠한 측도적 성질을 가졌다고 한다면 유성(遊星)의 운동은 이 세계의 특유한 직선(최단선) 운동에 상당하는 것이며 이 세계의 측도적 성질 즉 기하학은 물질 분포 상태에 관계하는 것이며 유성들이 태양의 주위를 타원형으로 운행하는 것은 결코 만유인력이 없는 까닭이 아니라 그것이 태양 근변과 같은 사차원공간에서 물체가 취하는 자연적 행로 즉 최단통로인 까닭이라고 말하였다.

일반상대성원리는 허위

만유인력에 관한 이상과 같은 순수학적 이론은 일반상대성의 기초가 되어 있는 상대율의 일반화에서 우러나오는 필연적 결과인데 오늘날 와서는 일반화된 상대율은 직리가 아니라는 것이판명되었다. 아인스타인은 모든 좌표계는 그의 운동 상태 여하를 막론하고 자연현상 서술에 대해서 완전히 동가라고  주창하였다. 만일에 상대적 운동만을 생각한다면 이것은 진리다. 즉 순전한 운동학적(Kinematical) 견지에 본다면 그것은 어떠한 좌표계를 가장 좋다고 생각하겠느냐하는 편의상 문제에 불과할 것이다.

그렇지만 역학적(Dynamical) 견지에서 즉 운동의 원인을 고려할 때에는 그것은 진리라고 할 수 없다. 운동과 아울러 힘까지를 관측할 수가 있고 연구할 수가 있는 그런 특별한 좌표계의 선택상 실패는 결국 자연현상의 진정한 설명에 도달하는 것이 실패가 될 것이다.

아인슈타인이 만유인력에 대해서 순연한 운동학적 설명에 도달하게 된 것도 이 까닭이었다.

물리적 과학의 기하학화

만유인력장에 관한 일반원리에 상당한 성공을 본 상대론자들이 기타 역장(力場)에 있어서의 공간시간의 기하학적 내지 측도적 성질을 구명하려고 노력하는 것은 당연한 일이다.

즉 다른 종류의 역장에서도 모든 운동을 중력장의 경우와 동일한 기하학적 방법으로 설명할 수가 없을까하는 것을 궁리하게 되었다. 전자장에 대해서는 『웨ー일』과 『에딩톤』과 아인슈타인 등에 의하야 그들의 단일장론(Unutary field theories)으로 연구되었으나 아직 이렇다 할만한 성공은 못 보았다.

그렇지만 이것은 단순히 각 경우에 적용할 수 있는 특수한 기하학을 발견하려는 기도(企圖)가 아니라 모든 경우에 적용하는 데 당하야 십분 간단하고도 일반적인 것 그리하야 온갖 일반적, 물리적 법칙이 한 개의 기초적 전제에서 연역이 될 수 있게 하는 그러한 기하학이 발견되어야 한다는 이념까지도 가지고 있는 것이다. 여러 수학적 물리학자들의 말을 들으면 이것이 이론물리학의 목표 내지 이상이 되어야 한다는 것이다. 에딩톤은 The nature of physical world에서 이런 말을 하였다ー한 개의 이상이 우리의 전면(前面)을 비쳐준다. 아득히 멀리서 그러나 막을래야 막을 수 없는 광휘로써 물리세계의 전 지식이 한 개의 단일한 과학으로 통일이 될 것이라는 것을 비쳐보인다. 그리고 그것은 기하학적 혹은 준기하학적 개념으로 표현이 될 수 있을 것이다.

이상 모든 것을 종합해보아서 한 가지 사실을 명언할 수가 있다. 설사 이론물리학의 이상이 실현된다 하더래도 기하학적 처리방법이란 자연현상에 대한 기술적 설명은 줄지언정 그의 진정한 설명은 주지 못할 것이다. 즉 그것은 현상 이전의 본체의 관해서는 하등의 지식도 주지 못한다는 것이다. 

- 여기서는 일반 상대성 이론을 언급하면서 그 유명한 등가원리에 대해 우주 엘리베이터 예시까지 들어가며 설명해주고 있다. 그러면서도 또 여기서도 일반상대성이론을 허위라며 진정한 설명에는 실패하였다고 말하고 있다. 마지막 장에서는 통일장 이론을 언급하면서 모든 자연현상을 하나로 설명하고자 하는 기하학을 찾고자 하고 있다고 서술.

추기로 아래는 1933년 노벨 물리학상 수상자에 대한 기사.

1933.11.15. 조선일보

(상략) 그다음 금년도 『노ー벨』 물리학상은 양자론의 『케부릿지』대학 강사 영국인 『폴ー데이락』 박사와 백림대학 물리학 교수 오태리인 『엘빈・슈레ー데잉가ー』 (작년도 물리학상은 『라입지히』대학 물리학 교수 『윌나ー하이덴브역』 씨에게 수여하기로 결정하였다 고한다.  

데이락 박사는 당년 31세로 1925년 이래 『양자역학의 기초방정식』을 발표하야 앙자론의 분야에 있어서 획시기적 업적을 거하고 1930년에는 『양자역학원리』를 상재(上梓)하였다.

슈레ー데잉가ー 교수는 당년 46세로 유야납대학에서 이론물리학을 연구하고 1926년에 파동역학원론을 발표하야 소위 슈레ー데잉가ー 방정식을 보게 되었는데 이것은 양자역학과 달라 연속성을 기초로 한 양자가설을 포함하고 있다.

하이덴브억 교수는 당년 32세의 신진 물리학자로 뮨헨, 겟진겐, 코펜하ー겐 각 대학에서 양자역학을 연구하고 1925년에 『양자역학』을 창설하야 슈레ー데잉가ー 교수의 파동역학과 아울러 이론물리학의 최고봉을 짓고 있는 바 1929년에 일본 와서 도쿄, 쿄토에서 강연한 일이 있다.

- 디랙, 슈뢰딩거, 하이젠부르크...하나하나 다 레전드.