사. 등가원리(等價原理)

 

그 후 전술한 바 원자변환시 화학반응으로써 질량[14a]에만 증감이 발생하였는 것이 안이요 에너지 역연(亦然)(주1) 증감이 있음을 인지케 되였다. 이러케 되면은 양대 원칙이 전부 성립되지 못하는 것이다. 그러나 이 원자변환시 화학반응으로 발생하는 에너지와 질량의 증감은 엄격한 당량관계(當量關係)(주2)로 성립됨이 명백히 들어낫다. 즉 질량이 감소될 시(時)는 감소된 질량의 C2곱(광속도 자승)의 에너지가 외부로 방출되며 따라서 질량이 증가될 시는 반대로 증가량의 C2곱의 에너지가 외부에서 가해지는 것이다. 그리하여 질량이 에너지로 변하고 에너지가 질량으로 변하여 질량과 에너지의 보존법칙은 각각 독립해 성립된 것이 안이요 질량도 에너지의 총합 속에 포함하여 계[14b]산함으로써 비로소 에너지 보존법칙이 성립됨이 명백히 되었다. 

 

 

 

이것이 에너지 질량 동등원리(同等原理), 즉 등가원리(等價原理)인 것이다. 자연과학 상으로 보와서는 우주 만유는 이 질량과 에너지로 구성되여 있으므로 이 등가원리에 의하여 전 우주 만유는 영원히 불생불멸하는 상주체(常住体)임이 재확인되고 따라서 종금(從今) 이후로는 확실부동의 대원칙이 될 것이다.

 

아. 원자력(原子力)

 

이 등가원리 즉 에너지 질량 동등원리를 최초로 천명한 사람은 아인슈타인(주3)이다. 그가 1905년 특수상대성이론(特殊相對性理論)(주4) 중에 이 원리를 제시하였으니 즉 E=mc2의 간단한 방정식이다. 내용인즉 물질의 에[15a]너지(E)는 질량(m)에다 광속도(c=초속 30만키로)를 자승(2)한 것과 갓다는 말이다. 그리하여 1그람의 질량을 에너지로 환산하면 (3×1010)2=9×1020에르그며 2×1013카로리이다. 이것은 상상할 수도 없는 막대한 양이다. 

 

그럼으로 그 당시 학계에서는 정신병자 혹은 몽상가로써 조소(嘲笑)하였던 것이다. 그러나 40년 후 히로시마(廣島)에 원자탄이 폭발됨으로써 이 이론의 정당성이 전세계에 공인되였던 것이다.

 

 

 

자. 원자변환(原子變換)

 

등가원리가 실제로 증명되여 막대한 원자에너지를 실용에 옴기게 될 때까지는 그러케 용이(容易)한 것이 안이[15b]였던 것이다. 여기에는 수다(數多)(주5) 과학자들의 필사의 노력이 필요하였던 것이다. 그리하여 원자과학의 발전은 극도에 달하여 결국은 원자의 인공변환에 완전 성공한 것이다. 

 

이 원자변환에 양종(兩種)이 있으니 일(一)은 핵분열(核分裂)이요 일(一)은 핵융합(核融合)이다. 예거(例擧)하면은 핵분열이란 우란늄 원자핵에 중성자를 가하면 핵자(核子) 1개가 2개로 분열하고 2~5개의 중성자를 방출함과 동시에 막대한 에너지가 발생되는 것이다. 방출된 중성자는 다시 다른 핵자(核子)에 가해저서 또 핵분열을 이르키고 하여 이렇한 연속반응으로 1그람의 우라늄에 1,800만 키로카로리를 사용할 수 잇는 바 이는 현금(現今) 과학 능력의 정도(程度)이며 원자폭탄의 원리이다.

 

주)

 

(주1) “또한”

(주2) 당량이라는 것은 한 원소가 다른 원소와 결합할 때에 필요한 양을 언급하기 위해 도입한 것이라고 할 수 있다. 보통 기준 원소를 두고 이 원소와 결합하는 양을 사용하는데 수소 1원자량이나 산소 8원자량을 기준으로 하여 사용한다. 가장 흔히 쓰이는 당량은 화학 변화를 일으킬 때 기본이 되는 양을 나타내는 화학 당량인데, 원소의 당량, 산 · 염기의 당량, 산화제 · 환원제의 당량이 있다. 또 원소나 화합물의 화학 당량을 나타내는 단위인 그램당량이 있는데 1그램당량은 수소 1.008그램이나 산소 0.5그램원자인 7.9997그램과 직접 또는 간접으로 화합하는 다른 여러 물질의 질량을 그램 단위로 표시한 수이다. 예를 들면 화학 당량 22.9898인 나트륨의 1그램당량은 22.9898그램이다.

 

(주3) 20세기 초의 창조성이 뛰어난 대표적 지식인이었던 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)은 20세기 초 15년 동안 질량과 에너지의 등가를 단언하고 공간 · 시간 · 중력에 관한 새로운 사고방식을 제안한 일련의 이론들을 내놓았다. 그의 상대성원리와 중력에 관한 이론들은 뉴턴 물리학을 넘어서는 심오한 진전이었고 과학적 탐구와 철학적 탐구에 혁명을 일으켰으며, 1921년 노벨 물리학상을 받았다. 아인슈타인은 그의 명성 덕택으로 평화주의 · 자유주의 · 시오니즘과 같은 대의를 지지하는 데 영향력이 있었다. 그러나 아이러니컬하게도 이러한 이상주의적인 사람이 물질 입자가 엄청난 양의 에너지로 바뀔 수 있다는 에너지-질량 방정식 가설로 지금까지 알려진 가장 파괴적인 무기인 원자폭탄과 수소폭탄의 창조를 증명하고 말았다.

 

(주4) 1905년 초에 아인슈타인은 독일의 유명한 월간 학술지 『물리학 연보(A nnalen der Physik)』에 「분자 차원의 새로운 결정(A New Determination of Molecular Dimensions)」이라는 논문을 냈는데, 이 논문으로 나중에 취리히대학교에서 박사학위를 받게 되었다. 그 해의 『물리학 연보』에 4개의 더 중요한 논문을 발표했고 이것이 우주에 대한 인간의 견해를 영구히 바꾸어 버렸다. 이중에서 첫 번째 논문인 「정지 액체 속에 떠 있는 작은 입자들의 (열의 분자운동론에 의한) 운동에 대하여(Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen)」는 브라운 운동에 대해 이론적으로 설명해 주었다. 「빛의 발생과 변화에 관련된 발견에 도움이 되는 견해에 대하여(Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt)」에서 빛은 파동적 작용에 더하여 입자에만 고유하게 나타나는 일정한 성질들을 보여주는 개별적 양자(量子, 후에 光子로 불림)로 이루어져 있다고 가정했다. 그는 이 한 가지 가정으로 빛 이론에 혁명을 일으켰고 여러 현상들 가운데서 광전효과(光電效果)라고 하는, 빛을 비추었을 때 일어나는 몇몇 고체로부터의 전자 방출에 대해 설명할 수 있었다. 

아인슈타인을 유명하게 만든 특수상대성이론은 세 번째 논문인 「운동하는 물체의 전기역학에 대하여(Zur Elektrodynamik bewegter Körper)」에 실렸다. 특수상대성이론은 모든 좌표계에서 빛의 속도가 일정하고 모든 자연 법칙이 똑같다면, 시간과 물체의 운동은 관찰자에 따라 상대적이라는 것이다. 특수상대성이론의 수학적 표현에 대해 아인슈타인은 그의 네 번째 논문 「물체의 관성은 에너지 함량에 의존하는가(Ist die Trägheiteines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig)」를 썼다. 이 논문에서 질량과 에너지의 등가를 확립했는데, 이에 따르면 어떤 양의 물질이 갖는 에너지는 그 물질의 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 값, 즉 E=mc2 이다. 특수상대성이론이 알려짐에 따라 아인슈타인은 유럽의 저명한 물리학자 대열에 서게 되었다.

(주5) “많은”

 

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