On the Electrodynamics of Moving Bodies (Excerpt)
1905년 발표된 특수상대성이론 원논문의 핵심 발췌. 동시성의 정의, 길이 수축, 시간 지연이라는 이 논문의 가장 유명하고 개념적인 부분만 골라 한영 대역으로 읽는다.
On the Electrodynamics of Moving Bodies (Excerpt)
운동하는 물체의 전기역학에 관하여 (발췌) — 특수상대성이론 원논문
저자 · Author
당시 스위스 특허청(Swiss Patent Office), 베른(Bern)
자석-도체 비대칭 문제와 두 공준의 제시
It is known that Maxwell's electrodynamics—as usually understood at the present time—when applied to moving bodies, leads to asymmetries which do not appear to be inherent in the phenomena. Take, for example, the reciprocal electrodynamic action of a magnet and a conductor. The observable phenomenon here depends only on the relative motion of the conductor and the magnet, whereas the customary view draws a sharp distinction between the two cases in which either the one or the other of these bodies is in motion. For if the magnet is in motion and the conductor at rest, there arises in the neighbourhood of the magnet an electric field with a certain definite energy, producing a current at the places where parts of the conductor are situated. But if the magnet is stationary and the conductor in motion, no electric field arises in the neighbourhood of the magnet. In the conductor, however, we find an electromotive force, to which in itself there is no corresponding energy, but which gives rise—assuming equality of relative motion in the two cases discussed—to electric currents of the same path and intensity as those produced by the electric forces in the former case.
맥스웰 전자기역학(Maxwell's electrodynamics)—현재 통상적으로 이해되는 바와 같이—이 운동하는 물체들에 적용될 때, 현상에 내재하는 것으로 보이지 않는 비대칭성들을 초래한다는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 자석과 도체의 상호 전자기력 작용을 들자. 이곳의 관찰 가능한 현상은 도체와 자석의 상대 운동에만 의존하는 반면, 통상적 견해는 이들 물체 중 하나 또는 다른 하나가 운동하는 두 경우 사이에 뚜렷한 구분을 그으므로, 다음 중 한 가지가 참이다: 자석이 운동하고 도체가 정지해 있으면, 자석의 주변에 특정한 확정된 에너지를 가진 전기장(electric field)이 생겨나, 도체의 일부들이 위치한 곳들에서 전류를 생산한다. 그러나 자석이 정지하고 도체가 운동하면, 자석의 주변에 전기장이 생겨나지 않는다. 그러나 도체 내에서, 우리는 기전력(electromotive force)을 발견하는데, 이것 자체로는 대응하는 에너지가 없으나, 논의된 두 경우에서 상대 운동의 동일성을 가정하면, 전 경우에서 전기력에 의해 생산된 것과 같은 경로와 세기의 전기 흐름들을 생성한다.
이 단락의 핵심은 자석과 도체 사이의 전자기 현상이 어떤 것이 움직이는지에 따라 다르게 설명된다는 점입니다. 자석이 움직이면 전기장이 생기지만, 도체가 움직이면 전기장이 아닌 기전력이 생깁니다. 그런데 실제 현상(전류의 경로와 세기)은 정확히 같습니다. 이것은 이상한 일입니다. 왜냐하면 물리 현상이 정말로 다르다면, 설명도 같아야 하기 때문입니다. 이렇게 설명이 일관성이 없는 상황을 "비대칭성"이라고 부르는데, Einstein은 이 비대칭성이 이론의 문제이지 실제 현상의 문제가 아니라고 생각했습니다.
Take, for example, the reciprocal electrodynamic action of a magnet and a conductor: 명령문 형태지만 "예를 들어 ~를 생각해보자"는 뜻의 예시 도입 표현입니다.whereas the customary view draws a sharp distinction between the two cases in which either the one or the other of these bodies is in motion:whereas(반면에)로 대조를 나타내고,in which관계대명사절이the two cases를 수식합니다.there arises in the neighbourhood of the magnet an electric field: 장소 부사구(there)가 문두로 나가며 주어(an electric field)와 동사(arises)가 도치된 구조입니다.which gives rise—assuming equality of relative motion...—to electric currents:assuming ~는 분사구문(조건: ~라고 가정하면)이 삽입된 형태입니다.
Examples of this sort, together with the unsuccessful attempts to discover any motion of the earth relatively to the “light medium,” suggest that the phenomena of electrodynamics as well as of mechanics possess no properties corresponding to the idea of absolute rest. They suggest rather that, as has already been shown to the first order of small quantities, the same laws of electrodynamics and optics will be valid for all frames of reference for which the equations of mechanics hold good. We will raise this conjecture (the purport of which will hereafter be called the “Principle of Relativity”) to the status of a postulate, and also introduce another postulate, which is only apparently irreconcilable with the former, namely, that light is always propagated in empty space with a definite velocity c which is independent of the state of motion of the emitting body. These two postulates suffice for the attainment of a simple and consistent theory of the electrodynamics of moving bodies based on Maxwell's theory for stationary bodies. The introduction of a “luminiferous ether” will prove to be superfluous inasmuch as the view here to be developed will not require an “absolutely stationary space” provided with special properties, nor assign a velocity-vector to a point of the empty space in which electromagnetic processes take place.
이러한 종류의 예들은 광매질(light medium)에 대한 지구의 운동을 발견하려는 실패한 시도들과 함께, 전자기역학뿐만 아니라 역학의 현상들이 절대 정지의 개념에 대응하는 성질들을 소유하지 않음을 시사한다. 그보다는 이미 작은 량의 1차 항에서 보여진 바와 같이, 동일한 전자기역학 및 광학의 법칙들이 역학의 방정식들이 성립하는 모든 기준계(frames of reference)들에 대해 타당할 것임을 시사한다. 우리는 이 추측(그 취지가 이후로 상대성 원리(Principle of Relativity)라고 불릴 것이다)을 공준(postulate)의 지위로 상승시킬 것이며, 또한 다른 공준을 도입할 것인데, 이것은 전자와 단지 겉보기에만 양립 불가능한 것으로, 즉 빛은 항상 공허한 공간에서 정해진 속도 c로 전파되며 이는 방출하는 물체의 운동 상태에 무관하다는 것이다. 이 두 공준은 정지한 물체들에 대한 맥스웰의 이론에 바탕을 둔 운동하는 물체들의 전자기역학의 단순하고 일관된 이론의 달성을 위해 충분하다. 광에테르(luminiferous ether)의 도입은 불필요함이 판명될 것이다. 왜냐하면 여기서 발전시켜질 견해가 특별한 성질을 갖춘 절대적으로 정지된 공간(absolutely stationary space)을 요구하지 않을 것이며, 또한 전자기 과정이 일어나는 공허한 공간의 한 점에 속도벡터(velocity-vector)를 할당하지 않을 것이기 때문이다.
당시 과학자들은 빛이 전파되려면 어떤 매질이 필요하다고 생각했고, 그것을 "광에테르(light medium 또는 luminiferous ether)"라고 불렀습니다. 음파가 공기나 물을 타고 전파되듯이, 빛도 무언가를 타고 전파되어야 한다고 믿었던 것입니다. 하지만 과학자들이 지구가 이 광에테르를 통해 움직이는지를 측정하려고 해도 실패했습니다. 또한 당시 물리학에서는 "절대 정지"라는 특별한 기준점이 우주 어디선가 존재한다고 생각했습니다. Einstein이 제시하는 아이디어는 두 가지 공준입니다. 첫째, "상대성 원리": 물리 법칙은 모든 움직이는 기준계에서 같습니다. 둘째, 빛의 속도는 항상 일정하며(c), 빛을 내보내는 물체의 운동 상태와 무관합니다. 이 두 가지를 받아들이면, 광에테르라는 가상의 물질이나 절대 정지된 공간이 없어도 모든 것을 설명할 수 있다는 것입니다.
together with the unsuccessful attempts to discover any motion...:together with(~와 더불어)이 이끄는 구가 주어(Examples)를 보충합니다.as has already been shown to the first order of small quantities:as절 안에 수동태(has been shown)가 쓰인 삽입구입니다.We will raise this conjecture (the purport of which will hereafter be called...) to the status of a postulate: 괄호 안에 관계대명사절(the purport of which, 소유격적 용법)이 삽입되어 있습니다.which is only apparently irreconcilable with the former:apparently(겉보기에는)가 "실제로는 양립 가능하다"는 뉘앙스를 암시합니다.inasmuch as: "~이므로, ~인 한"이라는 뜻의 격식체 접속사입니다.
The theory to be developed is based—like all electrodynamics—on the kinematics of the rigid body, since the assertions of any such theory have to do with the relationships between rigid bodies (systems of co-ordinates), clocks, and electromagnetic processes. Insufficient consideration of this circumstance lies at the root of the difficulties which the electrodynamics of moving bodies at present encounters.
발전시켜질 이론은—모든 전자기역학처럼—강체의 운동학(kinematics of the rigid body)에 기초하고 있다. 왜냐하면 그러한 어떤 이론의 주장이든 강체들(좌표계들), 시계들, 그리고 전자기 과정들 사이의 관계들과 관련되기 때문이다. 이러한 상황에 대한 불충분한 고려가 현재 운동하는 물체들의 전자기역학이 마주치고 있는 어려움들의 근원에 놓여 있다.
이 단락에는 별도로 설명이 필요한 배경지식이 없습니다.
The theory to be developed is based...on the kinematics of the rigid body:to be developed는The theory를 수식하는 미래수동 부정사(앞으로 전개될 이론)입니다.Insufficient consideration of this circumstance lies at the root of the difficulties: 무생물 주어(Insufficient consideration) +lies at the root of(~의 근본 원인이다)라는 관용 표현입니다.
A·B 두 지점 시계의 사고실험으로 “시간”을 새로 정의하는 이 논문의 개념적 핵심
Let us take a system of co-ordinates in which the equations of Newtonian mechanics hold good. In order to render our presentation more precise and to distinguish this system of co-ordinates verbally from others which will be introduced hereafter, we call it the “stationary system.” If a material point is at rest relatively to this system of co-ordinates, its position can be defined relatively thereto by the employment of rigid standards of measurement and the methods of Euclidean geometry, and can be expressed in Cartesian co-ordinates.
뉴턴 역학의 방정식들이 성립하는 좌표계를 채택하자. 우리의 제시를 더욱 정확하게 하기 위해, 그리고 이 좌표계를 이후에 도입될 다른 것들로부터 언어적으로 구별하기 위해, 우리는 이것을 정지 체계(stationary system)라고 부른다. 물질점이 이 좌표계에 대해 정지해 있으면, 그것의 위치는 강체 측정 표준들의 사용과 유클리드 기하학의 방법들에 의해 이에 관해 정의될 수 있으며, 직교 좌표(Cartesian co-ordinates)로 표현될 수 있다.
물질점(material point)은 크기를 무시할 수 있을 정도로 작은 물체를 수학적으로 점처럼 다루는 개념입니다. 좌표계(coordinate system)는 위치를 나타내기 위한 기준 틀로, 가장 흔한 것이 가로(x)와 세로(y)축을 가진 직교 좌표입니다. 강체 측정 표준은 늘어나거나 줄어들지 않는 측정 자로, 일반적인 금속 자를 생각하면 됩니다. 유클리드 기하학은 우리가 학교에서 배우는 일상적인 평면 기하학입니다. 정지 체계는 움직이지 않는 것을 기준으로 하는 좌표계라는 뜻으로, 예를 들어 지구를 기준으로 한 좌표계를 생각할 수 있습니다. 이 단락은 기본적인 측정 방법과 좌표 체계를 정의하는 것입니다.
Let us take a system of co-ordinates in which the equations of Newtonian mechanics hold good:Let us ~청유형 명령문이고,in which관계대명사절이 좌표계를 수식합니다.In order to render our presentation more precise and to distinguish...:In order to목적을 나타내는 to부정사구 두 개가and로 병렬 연결되었습니다.its position can be defined relatively thereto by the employment of...: 수동태(can be defined) +thereto(그것에 대해, 고어체 부사)가 쓰였습니다.
If we wish to describe the motion of a material point, we give the values of its co-ordinates as functions of the time. Now we must bear carefully in mind that a mathematical description of this kind has no physical meaning unless we are quite clear as to what we understand by “time.” We have to take into account that all our judgments in which time plays a part are always judgments of simultaneous events. If, for instance, I say, “That train arrives here at 7 o'clock,” I mean something like this: “The pointing of the small hand of my watch to 7 and the arrival of the train are simultaneous events.”
우리가 물질점의 운동을 기술하고자 하면, 우리는 시간의 함수로서 그것의 좌표값들을 제공한다. 이제 우리는 이러한 종류의 수학적 기술이 시간(time)으로 우리가 이해하는 것이 무엇인지에 대해 충분히 명확하지 않으면 물리적 의미를 갖지 않음을 세심하게 명심해야 한다. 우리는 시간이 역할을 하는 우리의 모든 판단이 항상 동시적 사건들(simultaneous events)의 판단임을 고려해야 한다. 예를 들어, 내가 "그 기차는 여기에 7시에 도착한다"고 말하면, 나는 대략 다음과 같은 것을 의미한다: "내 시계의 작은 바늘이 7을 가리키는 것과 기차의 도착이 동시적 사건들이다."
이 단락은 상대성이론의 가장 중요한 기초를 놓는 부분입니다. 물리학에서 시간을 측정한다는 것이 정확히 무엇을 의미하는지가 명확하지 않으면 안 된다는 것입니다. 우리가 어떤 사건의 시각을 말할 때, 실제로는 그 사건이 일어난 순간과 시계의 바늘 위치가 일치한다는 것을 확인하는 것입니다. 이를 "동시성(simultaneous events)"이라고 합니다. 예를 들어 "기차가 7시에 도착했다"는 것은 "기차가 역에 도착한 순간과 내 시계가 7시를 가리키는 순간이 동시에 일어났다"는 의미입니다. 상대성이론에서는 이 동시성이라는 개념이 절대적이지 않다는 것—즉, 어떤 기준계에서는 동시인 두 사건이 다른 기준계에서는 동시가 아닐 수 있다는 것—이 핵심입니다. 따라서 시간을 정의하는 방식이 이론 전체를 결정합니다.
we give the values of its co-ordinates as functions of the time:as가 "~로서"라는 뜻으로 쓰였습니다 (좌표값을 시간의 함수로서 제시한다).a mathematical description of this kind has no physical meaning unless we are quite clear as to what we understand by "time.":unless(~하지 않는 한) 조건절 안에as to what ~간접의문문이 들어있습니다.If, for instance, I say, "That train arrives here at 7 o'clock," I mean something like this: 예시를 직접 인용문으로 제시하는 구조입니다.
It might appear possible to overcome all the difficulties attending the definition of “time” by substituting “the position of the small hand of my watch” for “time.” And in fact such a definition is satisfactory when we are concerned with defining a time exclusively for the place where the watch is located; but it is no longer satisfactory when we have to connect in time series of events occurring at different places, or—what comes to the same thing—to evaluate the times of events occurring at places remote from the watch.
"시간"의 정의에 따르는 모든 어려움을 "나의 시계의 작은 바늘의 위치"를 "시간" 대신에 대체함으로써 극복할 수 있을 것으로 보일 수도 있다. 그리고 실제로 그러한 정의는 시간을 전적으로 시계가 위치한 장소에 대해서만 정의하는 것에 관심을 가질 때는 만족스럽다; 그러나 서로 다른 장소에서 일어나는 사건들의 시간 계열을 연결하여야 할 때, 또는—이것은 동일한 의미이지만—시계로부터 멀리 떨어진 장소에서 일어나는 사건들의 시간들을 평가하여야 할 때는 더 이상 만족스럽지 않다.
이 단락에는 별도로 설명이 필요한 배경지식이 없습니다.
It might appear possible to overcome all the difficulties...by substituting "the position of the small hand of my watch" for "time.": 가주어It+ 진주어(to overcome...) 구조이고,substitute A for B(B를 A로 대체하다) 구문이 쓰였습니다.such a definition is satisfactory when we are concerned with defining a time exclusively for the place where the watch is located:where절이the place를 수식하는 관계부사절입니다.it is no longer satisfactory when we have to connect in time series of events occurring at different places, or—what comes to the same thing—: 대시 사이 삽입구(what comes to the same thing, "이는 결국 같은 말이지만")가 부연 설명을 덧붙입니다.
We might, of course, content ourselves with time values determined by an observer stationed together with the watch at the origin of the co-ordinates, and co-ordinating the corresponding positions of the hands with light signals, given out by every event to be timed, and reaching him through empty space. But this co-ordination has the disadvantage that it is not independent of the standpoint of the observer with the watch or clock, as we know from experience. We arrive at a much more practical determination along the following line of thought.
물론 우리는 좌표 원점에 시계와 함께 위치한 관찰자에 의해 결정된 시간값들로 만족할 수도 있으며, 시계의 바늘의 대응하는 위치들을 측정될 모든 사건으로부터 발출되어 공허한 공간을 통해 그에게 도달하는 광신호(light signals)들과 조정할 수도 있다. 그러나 이러한 조정은 경험으로부터 알 수 있듯이 시계 또는 시침을 가진 관찰자의 관점에 독립적이지 않다는 단점을 가진다. 우리는 다음과 같은 사고를 따라 훨씬 더 실용적인 결정에 도달한다.
좌표 원점이란?
이것은 3차원 공간에서 기준점을 설정했다는 뜻입니다. 예를 들어 지도에서 서울역을 기준점으로 잡는 것처럼, 물리 실험에서도 "여기서부터 측정한다"는 출발점을 정하는 것입니다.
빛의 신호를 이용한 시간 측정
이 단락에서 Einstein은 빛을 사용해서 시간을 동기화하는 한 가지 방법을 생각했습니다. 사건이 일어나면 그 순간을 나타내는 빛 신호를 관찰자에게 보내는 것처럼요.
"관점에 독립적이지 않다"는 무엇인가?
이것은 "관찰자의 위치와 상태에 따라 결과가 달라진다"는 뜻입니다. 즉, 한 사람이 측정한 시간값이 다른 사람이 측정한 값과 일치하지 않을 수 있다는 뜻입니다. 과학에서는 "누가 측정하든 같은 결과가 나와야 한다"는 원칙이 있는데, 이 방법은 그 원칙을 만족하지 못합니다. 그래서 더 나은 방법이 필요합니다.
We might, of course, content ourselves with time values determined by an observer stationed together with the watch...:determined,stationed은 각각 과거분사로 앞의 명사(time values,an observer)를 수식합니다.co-ordinating the corresponding positions of the hands with light signals, given out by every event to be timed, and reaching him through empty space: 분사구문(co-ordinating)이 이어지고, 그 안에서 다시 과거분사(given out)와 현재분사(reaching)가light signals를 수식합니다.We arrive at a much more practical determination along the following line of thought: 이 문단 결론 문장으로, 다음에 이어질 사고실험을 예고합니다.
If at the point A of space there is a clock, an observer at A can determine the time values of events in the immediate proximity of A by finding the positions of the hands which are simultaneous with these events. If there is at the point B of space another clock in all respects resembling the one at A, it is possible for an observer at B to determine the time values of events in the immediate neighbourhood of B. But it is not possible without further assumption to compare, in respect of time, an event at A with an event at B. We have so far defined only an “A time” and a “B time.” We have not defined a common “time” for A and B, for the latter cannot be defined at all unless we establish by definition that the “time” required by light to travel from A to B equals the “time” it requires to travel from B to A. Let a ray of light start at the “A time” [수식: tA] from A towards B, let it at the “B time” [수식: tB] be reflected at B in the direction of A, and arrive again at A at the “A time” [수식: t'A]. In accordance with definition the two clocks synchronize if [수식: tB − tA = t'A − tB]. We assume that this definition of synchronism is free from contradictions, and possible for any number of points.
만약 공간의 점 A에 시계가 있다면, A에 있는 관찰자는 이 사건들과 동시인 바늘의 위치들을 찾음으로써 A의 즉시 근처에서 일어나는 사건들의 시간값들을 결정할 수 있다. 만약 공간의 점 B에 모든 측면에서 A에 있는 것과 닮은 다른 시계가 있다면, B에 있는 관찰자는 B의 즉시 근처에서 일어나는 사건들의 시간값들을 결정할 수 있다. 그러나 추가적인 가정 없이는 A에서의 사건을 B에서의 사건과 시간 측면에서 비교하는 것이 가능하지 않다. 우리는 지금까지 "A 시간"과 "B 시간"만을 정의했을 뿐이다. 우리는 A와 B를 위한 공통의 "시간"을 정의하지 않았으며, 왜냐하면 후자는 A에서 B로 빛이 이동하는 데 필요한 "시간"이 B에서 A로 이동하는 데 필요한 "시간"과 같다는 것을 정의함으로써 정의하지 않는 한 전혀 정의될 수 없기 때문이다. 광선이 "A 시간" [수식: t<sub>A</sub>]에 A에서 B를 향하여 출발하고, "B 시간" [수식: t<sub>B</sub>]에 B에서 A의 방향으로 반사되며, "A 시간" [수식: t'<sub>A</sub>]에 다시 A에 도달한다고 하자. 정의에 따르면 두 시계가 동기(synchronize)하는 것은 [수식: t<sub>B</sub> − t<sub>A</sub> = t'<sub>A</sub> − t<sub>B</sub>]일 때이다. 우리는 이러한 동기성의 정의가 모순으로부터 자유롭고, 임의의 개수의 점들에 대해 가능하다고 가정한다.
왜 A와 B의 시간을 따로 정의했나?
A에 있는 시계로는 A 근처의 사건들의 시간을 쉽게 측정할 수 있습니다. B에 있는 시계로는 B 근처의 사건들을 측정할 수 있습니다. 하지만 문제는 A에서 일어난 사건과 B에서 일어난 사건 중 "어느 것이 먼저일까?"를 판단할 수 없다는 것입니다. A의 시계와 B의 시계가 "같은 시간"을 가리키는지 알 수 없기 때문입니다.
동시성(동기)이란?
동시성이란 서로 다른 장소에서 일어난 두 사건이 "정확히 같은 시간"에 일어났다는 뜻입니다. 예를 들어, "A 마을에서 벼락이 떨어지는 순간"과 "B 마을에서 종이 울리는 순간"이 정말 같은 시간에 일어났는지 어떻게 알 수 있을까요? 이것이 바로 Einstein이 해결하려던 문제입니다.
빛의 왕복 실험
Einstein의 해결책은 아주 영리합니다: 1. A에 있는 사람이 빛을 B로 발사합니다 (시간: tA) 2. B에 있는 사람이 그 빛을 받아서 즉시 A 방향으로 반사시킵니다 (시간: tB) 3. 반사된 빛이 A로 돌아옵니다 (시간: t'A)
만약 A→B로 가는 데 걸린 시간(tB − tA)과 B→A로 돌아오는 데 걸린 시간(t'A − tB)이 같다면, "A와 B의 시계가 동기되어 있다"고 정의하자는 것입니다. 다시 말해, 두 시계가 "같은 시간"을 가리킨다는 뜻입니다.
이것은 물리 실험에 기반한 정의이므로, 어떤 관찰자가 측정하든 일관성 있는 결과를 얻을 수 있습니다.
If at the point A of space there is a clock, an observer at A can determine...: 장소 부사구(at the point A of space)가 문두에 나오며there is구문과 결합했습니다.it is not possible without further assumption to compare, in respect of time, an event at A with an event at B: 가주어it+ 진주어(to compare...) 구조이며,compare A with B구문 사이에in respect of time(시간의 관점에서)이 삽입되었습니다.for the latter cannot be defined at all unless we establish by definition that...:unless(~하지 않는 한) 조건절 안에that절(정의해야 할 내용)이 들어있습니다.[수식]으로 표시된 부분: 원문의 수식 이미지를 간략한 기호로 표시한 것입니다 — A지점 시각, B지점 시각, 되돌아온 시각을 각각 나타냅니다.
If the clock at B synchronizes with the clock at A, the clock at A synchronizes with the clock at B. If the clock at A synchronizes with the clock at B and also with the clock at C, the clocks at B and C also synchronize with each other.
만약 B의 시계가 A의 시계와 동기한다면, A의 시계는 B의 시계와 동기한다. 만약 A의 시계가 B의 시계와 동기하고 또한 C의 시계와도 동기한다면, B와 C의 시계들도 서로 동기한다.
이 단락에는 별도로 설명이 필요한 배경지식이 없습니다.
- 이 문장은 특별히 어려운 구조가 없습니다. 두 개의 조건문(
If ~, the clock ~)이 대구를 이루며 "동기화의 대칭성·이행성"이라는 두 규칙을 설명합니다.
Thus with the help of certain imaginary physical experiments we have settled what is to be understood by synchronous stationary clocks located at different places, and have evidently obtained a definition of “simultaneous,” or “synchronous,” and of “time.” The “time” of an event is that which is given simultaneously with the event by a stationary clock located at the place of the event, this clock being synchronous, and indeed synchronous for all time determinations, with a specified stationary clock. It is essential to have time defined by means of stationary clocks in the stationary system, and the time now defined being appropriate to the stationary system we call it “the time of the stationary system.”
따라서 특정한 상상적 물리 실험들의 도움으로 우리는 서로 다른 장소들에 위치한 동기적 정지 시계들(stationary clocks)이 무엇으로 이해되는지를 결정했으며, 명백히 "동시성(simultaneity)" 또는 "동기성(synchronism)"과 그리고 "시간(time)"의 정의를 얻었다. 사건의 "시간"은 그 사건의 장소에 위치한 정지 시계에 의해 그 사건과 동시에 주어지는 것이며, 이 시계는 동기적이고, 실제로 모든 시간 결정에 대해 동기적이며, 특정된 정지 시계와 동기하는 것이다. 정지 계(stationary system)에서 정지 시계들에 의해 시간이 정의되어야 한다는 것이 본질적이고, 이제 정의된 시간이 정지 계에 적절하므로 우리는 그것을 "정지 계의 시간"이라고 부른다.
정지 시계와 정지 계란?
"정지 시계"란 특정 위치에 고정되어 있는 시계를 의미합니다. "정지 계"란 이러한 정지 시계들로 이루어진 기준틀(좌표계)입니다. 예를 들어, 기차 위에 있는 시계는 기차에 대해서는 정지했지만, 지상에 대해서는 움직이고 있습니다. Einstein이 말하는 "정지 계"는 우리가 "기준"으로 삼기로 한 장소(보통 지구 표면)에서의 시각 체계를 뜻합니다.
"모든 시간 결정에 대해 동기적"이란?
이것은 어느 한 순간뿐만 아니라, 시간이 지나가면서 계속해서 A의 시계와 B의 시계가 같은 속도로 가야 한다는 뜻입니다. 즉, 시작할 때 동기했다면, 앞으로 몇 시간이 지나도 계속 동기 상태를 유지해야 합니다.
"정지 계의 시간"이란?
이것은 우리가 선택한 기준틀(예: 지구 표면)에서 정의된 시간이라는 뜻입니다. 이 정의는 이 기준틀 내에서 일어나는 모든 사건의 시간을 일관성 있게 측정할 수 있게 해줍니다.
Thus with the help of certain imaginary physical experiments we have settled what is to be understood by...:what절(간접의문문)이settled의 목적어입니다.The "time" of an event is that which is given simultaneously with the event by a stationary clock located at the place of the event:that which(~하는 것)이 선행사 없이 쓰인 관계대명사 구문이고,located는a stationary clock을 수식하는 과거분사입니다.this clock being synchronous...with a specified stationary clock:being으로 시작하는 독립분사구문(부대상황: ~하면서)입니다.
In agreement with experience we further assume the quantity [수식: 2AB / (t'A − tA) = c] to be a universal constant—the velocity of light in empty space.
경험과의 일치 속에서 우리는 추가로 양 [수식: 2AB / (t'<sub>A</sub> − t<sub>A</sub>) = c]이 보편적 상수(universal constant)—공허한 공간에서의 빛의 속도(velocity of light in empty space)—라고 가정한다.
이 식의 의미
이 식을 풀어서 설명하면: - 2AB = A에서 B까지의 거리 × 2 (왕복 거리) - (t'A − tA) = 총 왕복 시간 (빛이 출발해서 돌아올 때까지의 시간) - c = 속도 (거리 ÷ 시간 = 속도)
따라서 [수식: 2AB / (t'A − tA) = c]는 "왕복 거리를 왕복 시간으로 나눈 것 = 빛의 속도"라는 뜻입니다.
"보편적 상수"란?
"보편적 상수"는 "어디서든, 누가 측정하든, 항상 같은 값"이라는 뜻입니다. Einstein은 이것이 경험(실험)과 일치한다고 가정했습니다. 즉, 빛의 속도는 우주의 어느 곳에서나, 어느 관찰자가 측정하든 항상 약 30만 km/s (정확하게는 299,792,458 m/s)라는 뜻입니다.
이것이 특수상대성이론의 핵심 가정 중 하나입니다: 빛의 속도는 절대적이고 변하지 않는 상수이며, 이것이 이전의 고전 물리학과 다른 점입니다.
In agreement with experience we further assume the quantity [수식] to be a universal constant:assume A to be B(A를 B라고 가정하다) 구문입니다.
움직이는 막대의 길이를 재는 두 가지 방법, 그리고 동시성의 상대성이라는 결론
The following reflexions are based on the principle of relativity and on the principle of the constancy of the velocity of light. These two principles we define as follows: The laws by which the states of physical systems undergo change are not affected, whether these changes of state be referred to the one or the other of two systems of co-ordinates in uniform translatory motion. Any ray of light moves in the “stationary” system of co-ordinates with the determined velocity c, whether the ray be emitted by a stationary or by a moving body.
다음의 반성(考察)들은 상대성의 원리(principle of relativity)와 빛의 속도의 불변성의 원리(principle of the constancy of the velocity of light)에 기초한다. 이 두 원리를 다음과 같이 정의한다: 물리적 계(physical system)의 상태 변화를 야기하는 법칙들은, 이러한 상태의 변화가 균일한 평행이동(uniform translatory motion)을 수행하는 두 좌표계(system of co-ordinates) 중 어느 하나 또는 다른 하나를 기준으로 언급되든 영향을 받지 않는다. 어떤 광선(ray of light)도 "정지" 좌표계(stationary system of co-ordinates)에서 결정된 속도 c로 이동하며, 그 광선이 정지된 물체(stationary body)에 의해 방출되든지 또는 움직이는 물체(moving body)에 의해 방출되든지 관계없다.
이 단락에는 별도로 설명이 필요한 배경지식이 없습니다.
The laws by which the states of physical systems undergo change are not affected, whether these changes of state be referred to the one or the other...:whether A or B(A이든 B이든 상관없이) 양보 구문이며,be referred는 가정법 현재(고어체, ~이든 간에)입니다.whether the ray be emitted by a stationary or by a moving body: 위와 같은 가정법 현재(be emitted) 구문의 반복입니다.
Let there be given a stationary rigid rod; and let its length be l as measured by a measuring-rod which is also stationary. We now imagine the axis of the rod lying along the axis of x of the stationary system of co-ordinates, and that a uniform motion of parallel translation with velocity v along the axis of x in the direction of increasing x is then imparted to the rod. We now inquire as to the length of the moving rod, and imagine its length to be ascertained by the following two operations:
(a) The observer moves together with the given measuring-rod and the rod to be measured, and measures the length of the rod directly by superposing the measuring-rod, in just the same way as if all three were at rest.
(b) By means of stationary clocks set up in the stationary system and synchronizing in accordance with the definition above, the observer ascertains at what points of the stationary system the two ends of the rod to be measured are located at a definite time. The distance between these two points, measured by the measuring-rod already employed, which in this case is at rest, is also a length which may be designated “the length of the rod.”
정지한 강직(剛直) 막대(rigid rod)가 주어진다고 하자. 그리고 그 길이를 마찬가지로 정지한 측정 막대(measuring-rod)로 측정한 길이를 l이라고 하자. 이제 막대의 축이 정지 좌표계의 x축 위에 놓여 있다고 상상하고, x축 방향(증가하는 방향)으로 속도 v를 갖는 균일한 평행이동이 그 막대에 부여된다고 상상하자. 이제 우리는 움직이는 막대의 길이가 무엇인지를 묻고, 그 길이가 다음의 두 조작(operation)에 의해 확인된다고 상상한다: (a) 관찰자가 주어진 측정 막대와 측정되어야 할 막대와 함께 움직이며, 측정 막대를 겹쳐서(superposing) 막대의 길이를 직접 측정한다. 마치 이 세 개 모두가 정지해 있는 것처럼 정확히 동일한 방식으로. (b) 정지 좌표계에 설치되고 위의 정의에 따라 동기화(synchronizing)된 정지 시계(stationary clock)들의 수단을 통해, 관찰자는 측정되어야 할 막대의 두 끝이 어떤 특정 시간(definite time)에 정지 좌표계의 어느 지점에 위치한 것인지를 확인한다. 이 경우 정지 상태에 있는 이미 사용된 측정 막대로 측정된 이 두 점 사이의 거리도 또한 "막대의 길이(length of the rod)"라고 지칭될 수 있는 길이이다.
이 단락은 움직이는 막대의 길이를 측정하는 두 가지 서로 다른 방법을 설명합니다.
방법 (a): 움직이는 관찰자가 직접 재기
막대와 같은 속도로 움직이는 관찰자가 측정 막대를 사용해 직접 길이를 재는 방법입니다. 달리는 기차 안의 승객이 기차 내부의 짐의 길이를 측정하는 것처럼, 상대적으로는 막대와 측정 막대가 모두 정지해 있으므로 일반적인 방식으로 길이를 측정할 수 있습니다.
방법 (b): 정지한 관찰자가 동시 위치 기록
지구에 정지해 있는 관찰자가 동기화된 여러 개의 시계를 사용하여, 같은 순간에 막대의 양 끝이 정지 좌표계의 어디에 있는지를 동시에 기록한 후, 그 위치들 사이의 거리를 측정하는 방법입니다. 예를 들어 달리는 기차의 길이를 재고 싶을 때, 역 플랫폼의 서로 다른 지점에 서 있는 관찰자들이 정해진 시각에 기차의 앞과 뒤가 정확히 어디에 있는지를 동시에 표시하고, 그 표시점들 사이의 거리를 측정하는 것과 같습니다.
let its length be l as measured by a measuring-rod which is also stationary:let A be B(A를 B라 하자) 구문이고,as measured by는 "~로 측정했을 때"라는 뜻의 분사구입니다.We now imagine the axis of the rod lying along the axis of x...:imagine + 목적어 + 현재분사(lying)의 지각동사 유사 구문입니다.(a),(b)로 나뉜 두 문단은 막대 길이를 측정하는 두 가지 "조작(operation)"을 병렬로 정의합니다.
In accordance with the principle of relativity the length to be discovered by the operation (a)—we will call it “the length of the rod in the moving system”—must be equal to the length l of the stationary rod. The length to be discovered by the operation (b) we will call “the length of the (moving) rod in the stationary system.” This we shall determine on the basis of our two principles, and we shall find that it differs from l.
상대성의 원리에 따라, 조작 (a)에 의해 발견되는 길이—이를 "움직이는 계에서의 막대의 길이(length of the rod in the moving system)"라고 부르겠다—는 정지한 막대의 길이 l과 같아야 한다. 조작 (b)에 의해 발견되는 길이를 "정지 계에서의 (움직이는) 막대의 길이(length of the (moving) rod in the stationary system)"라고 부르겠다. 이를 우리의 두 원리에 기초하여 결정할 것이며, 이것이 l과 다르다는 것을 알게 될 것이다.
이 단락에는 별도로 설명이 필요한 배경지식이 없습니다.
the length to be discovered by the operation (a)—we will call it "the length of the rod in the moving system"—must be equal to:to be discovered는 미래수동 부정사(앞으로 알아낼)이고, 대시 사이 삽입구가 명칭을 정의합니다.This we shall determine on the basis of our two principles: 목적어(This)가 강조를 위해 문두로 도치된 구조입니다.
Current kinematics tacitly assumes that the lengths determined by these two operations are precisely equal, or in other words, that a moving rigid body at the epoch t may in geometrical respects be perfectly represented by the same body at rest in a definite position.
현재의 운동학(kinematics)은 이 두 조작에 의해 결정되는 길이들이 정확히 같다는 것을 암묵적으로(tacitly) 가정한다. 다시 말해, 어떤 시각(epoch) t에서의 움직이는 강직체(moving rigid body)가 기하학적 관점에서(in geometrical respects) 어떤 특정한 위치(definite position)에 정지해 있는 같은 물체에 의해 완벽하게 표현될 수 있다는 것을 가정한다.
이 단락에는 별도로 설명이 필요한 배경지식이 없습니다.
Current kinematics tacitly assumes that the lengths determined by these two operations are precisely equal:assume that ~(that절을 목적어로 취함)이고,determined는the lengths를 수식하는 과거분사입니다.a moving rigid body at the epoch t may in geometrical respects be perfectly represented by the same body at rest:in geometrical respects(기하학적 관점에서)가 문장 중간에 삽입된 부사구입니다.
We imagine further that at the two ends A and B of the rod, clocks are placed which synchronize with the clocks of the stationary system. We imagine further that with each clock there is a moving observer, and that these observers apply to both clocks the criterion established above for the synchronization of two clocks. Let a ray of light depart from A at the time [수식: tA], let it be reflected at B at the time [수식: tB], and reach A again at the time [수식: t'A]. Taking into consideration the principle of the constancy of the velocity of light we find that [수식: tB − tA = rAB/(c−v), t'A − tB = rAB/(c+v)] where rAB denotes the length of the moving rod—measured in the stationary system.
더 나아가, 막대의 두 끝 A와 B에 정지 계의 시계들과 동기화(synchronize)된 시계들이 배치된다고 상상하자. 더 나아가, 각 시계 곁에 움직이는 관찰자(moving observer)가 있으며, 이 관찰자들이 두 시계의 동기화를 위해 위에서 확립된 기준(criterion)을 두 시계 모두에 적용한다고 상상하자. 광선이 시각 [수식: t<sub>A</sub>]에 A에서 출발하여, 시각 [수식: t<sub>B</sub>]에 B에서 반사되며, 시각 [수식: t'<sub>A</sub>]에 다시 A에 도달한다고 하자. 빛의 속도의 불변성의 원리를 고려하면 [수식: t<sub>B</sub> − t<sub>A</sub> = r<sub>AB</sub>/(c−v), t'<sub>A</sub> − t<sub>B</sub> = r<sub>AB</sub>/(c+v)]을 얻는다. 여기서 r<sub>AB</sub>는 정지 계에서 측정된 움직이는 막대의 길이를 나타낸다.
이 단락은 움직이는 막대의 양 끝에 있는 두 시계의 동기화 문제를 다룹니다.
광선을 이용한 시계 동기화
막대의 양 끝 A와 B에 각각 시계가 설치되어 있습니다. 빛이 A에서 출발해 B에 도달한 후 다시 A로 돌아오는 과정에서의 시간을 측정함으로써, 두 시계가 제대로 맞춰져 있는지를 확인하는 방법입니다.
움직이는 막대에서의 빛의 여행 시간
막대가 빠르게 움직이고 있으므로, A에서 B로 향하는 빛의 속도와 B에서 A로 돌아오는 빛의 속도가 다르게 관찰됩니다. 공식의 (c−v)는 빛이 막대 방향으로 쫓아가는 상황(느림), (c+v)는 빛이 막대 방향과 반대로 맞서 가는 상황(빠름)을 표현합니다. 이는 빛의 속도가 항상 c이더라도, 움직이는 기준계(막대)에서 측정하면 상대 속도는 달라진다는 의미입니다.
We imagine further that at the two ends A and B of the rod, clocks are placed which synchronize with...:imagine that ~구문 안에서 장소 부사구(at the two ends A and B)가 문두로 나오며 주어-동사(clocks are placed)가 도치되었습니다.Let a ray of light depart from A at the time [수식], let it be reflected at B..., and reach A again at the time [수식]:Let A ~, let it ~, and (let it) ~세 개의 명령문이 병렬로 사건의 순서를 나열합니다.
Observers moving with the moving rod would thus find that the two clocks were not synchronous, while observers in the stationary system would declare the clocks to be synchronous. So we see that we cannot attach any absolute signification to the concept of simultaneity, but that two events which, viewed from a system of co-ordinates, are simultaneous, can no longer be looked upon as simultaneous events when envisaged from a system which is in motion relatively to that system.
움직이는 막대와 함께 움직이는 관찰자들은 두 시계가 동기화되지 않았음(not synchronous)을 발견할 것이고, 정지 계의 관찰자들은 시계들이 동기화되었음(synchronous)을 선언할 것이다. 그러므로 우리는 동시성(simultaneity)의 개념에 절대적 의미(absolute signification)를 부여할 수 없음을 본다. 하나의 좌표계로부터 본 두 사건(events)이 동시적(simultaneous)이라 할지라도, 그 좌표계에 대해 상대적으로 움직이는 계로부터 보면 더 이상 동시적 사건들로 간주될 수 없다.
이 단락은 특수상대성 이론의 가장 혁명적인 발견 중 하나인 "동시성의 상대성"을 설명합니다.
관찰자마다 다른 판단
방법 (a)의 관찰자(막대와 함께 움직이는 관찰자)와 방법 (b)의 관찰자(정지해 있는 관찰자)는 정확히 같은 두 시계를 보고도 서로 다른 결론을 내립니다. 움직이는 관찰자는 "두 시계가 안 맞는다"고 하고, 정지한 관찰자는 "두 시계가 맞는다"고 합니다. 이는 기준틀에 따라 무엇이 "동시"인지가 달라진다는 뜻입니다.
동시성은 절대적이지 않다
우리는 보통 "동시에"라는 개념을 절대적이고 보편적이라고 생각합니다. 예를 들어 지구상의 두 지점에서 번개가 동시에 치는 것은 모든 관찰자에게 동시일 것이라고 생각하는 것이 일반적입니다. 하지만 아인슈타인은 이것이 착각이라고 말합니다. 정지한 관찰자의 기준틀에서는 "동시"라고 판단되는 두 사건이, 다른 속도로 움직이는 기준틀의 관찰자에게는 "동시"가 아닐 수 있습니다. 예를 들어, 역 플랫폼의 두 끝에서 번개가 동시에 친다 해도, 그 위를 고속으로 지나가는 기차 안의 탑승객에게는 어느 쪽 번개가 먼저 떨어진 것처럼 보일 수 있다는 의미입니다.
Observers moving with the moving rod would thus find that the two clocks were not synchronous, while observers in the stationary system would declare...:while(반면에)로 두 관찰자의 판단을 대조합니다. 가정법적 뉘앙스의would find,would declare가 쓰였습니다.two events which, viewed from a system of co-ordinates, are simultaneous, can no longer be looked upon as simultaneous events when envisaged from a system which is in motion:viewed와envisaged가 각각 분사구문(조건: ~에서 보았을 때)으로 삽입되어 문장이 길어졌습니다.
길이 수축·시간 지연, 그리고 적도-극지방 시계 사고실험
We envisage a rigid sphere of radius R, at rest relatively to the moving system k, and with its centre at the origin of co-ordinates of k. The equation of the surface of this sphere moving relatively to the system K with velocity v is [수식: ξ²+η²+ζ²=R²]. A rigid body which, measured in a state of rest, has the form of a sphere, therefore has in a state of motion—viewed from the stationary system—the form of an ellipsoid of revolution with the axes [수식: R√(1−v²/c²), R, R].
정지 상태에서 움직이는 계(moving system) k에 대해 상대적으로 정지해 있고 k의 좌표 원점에 중심이 있는 반경 R인 강체 구(rigid sphere)를 상정한다. 이 구의 표면이 속도 v로 K계에 대해 상대적으로 움직일 때의 방정식은 [수식: ξ²+η²+ζ²=R²]이다. 정지 상태에서 측정했을 때 구의 형태를 가진 강체는 운동 상태에서—정지 계에서 본—회전 타원체(ellipsoid of revolution)의 형태를 가지며, 그 축은 [수식: R√(1−v²/c²), R, R]이다.
길이 수축의 개념을 이해하기 위한 배경입니다.
움직이는 물체의 형태 변화
이 단락에서 Einstein은 움직이는 계와 정지한 계 사이에서 길이 측정이 어떻게 달라지는지를 설명합니다. 중학교 과학에서는 보통 "운동하는 물체는 자신의 길이가 변하지 않는다"고 배웁니다. 그러나 매우 높은 속도에서는 놀라운 일이 일어나는데, 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체는 움직이는 방향으로 짧아지는 것처럼 보인다는 것입니다. 이것이 바로 길이 수축(length contraction)입니다.
구가 타원체로 변한다는 뜻
정지해 있을 때 완벽한 동그란 구(공처럼)라도, 움직이기 시작하면 한쪽 방향으로만 짧아집니다. 예를 들어 남쪽에서 북쪽으로 매우 빠르게 움직인다면: 남북 방향(움직이는 방향)은 짧아지고, 동서 방향과 위아래 방향은 변하지 않습니다. 결과적으로 둥근 공이 마치 위아래로 살짝 눌린 타원체처럼 보이게 됩니다. 이것은 물체가 실제로 변하는 것이 아니라, 정지한 관찰자의 관점에서 그렇게 보인다는 점이 중요합니다.
수식의 의미
√(1−v²/c²)는 특수상대성이론에서 가장 중요한 식 중 하나입니다. 여기서 v는 물체의 움직이는 속도, c는 빛의 속도(약 30만 km/s)입니다. v가 작을 때는 이 값이 1에 가깝고, 따라서 길이 변화가 거의 없습니다. 하지만 v가 c에 가까워질수록 이 값은 0에 가까워져서 길이 수축이 극적으로 커집니다.
We envisage a rigid sphere...at rest relatively to the moving system k, and with its centre at the origin of co-ordinates of k:at rest와with its centre가 나란히 구를 수식하는 전치사구입니다.The equation of the surface of this sphere moving relatively to the system K with velocity v is [수식]: 현재분사(moving)가this sphere를 수식합니다.
Thus, whereas the Y and Z dimensions of the sphere (and therefore of every rigid body of no matter what form) do not appear modified by the motion, the X dimension appears shortened in the ratio [수식: 1 : √(1−v²/c²)], i.e. the greater the value of v, the greater the shortening. For v=c all moving objects—viewed from the “stationary” system—shrivel up into plane figures. For velocities greater than that of light our deliberations become meaningless; we shall, however, find in what follows, that the velocity of light in our theory plays the part, physically, of an infinitely great velocity.
따라서 구의 Y 및 Z 차원들(그리고 그에 따라 어떤 형태의 모든 강체의)은 운동에 의해 수정되는 것으로 나타나지 않지만, X 차원은 [수식: 1 : √(1−v²/c²)] 비율로 단축되는 것으로 나타난다. 즉, v의 값이 클수록 단축이 크다. v=c일 때 모든 움직이는 물체들은—"정지" 계에서 본—평면 도형으로 축소된다. 우리의 고찰이 빛의 속도보다 큰 속도에 대해서는 무의미해지는 한편, 우리는 다음에서 우리 이론에서 빛의 속도가 물리적으로 무한히 큰 속도의 역할을 한다는 것을 발견할 것이다.
한 방향으로만 짧아진다
PARA 18의 결과를 더 명확히 설명합니다. 움직이는 물체는 움직이는 방향(이 경우 X 방향)으로만 짧아지고, 다른 두 방향(Y와 Z)은 변하지 않습니다. 변하는 것은 운동 방향의 길이만 짧아지는 것이고, 변하지 않는 것은 좌우, 앞뒤 방향의 길이입니다.
속도가 빠를수록 더 짧아진다
공식 1 : √(1−v²/c²)는 비율을 나타냅니다. 속도 v가 증가할수록 분모 √(1−v²/c²)는 작아지므로 비율은 커집니다. 즉 수축이 더 극적으로 일어납니다. 예를 들어 빛의 속도의 90%로 움직인다면, √(1−0.9²)≈0.436이므로 약 2.3배 정도 짧아집니다.
빛의 속도에 도달하면?
v=c(빛의 속도)일 때, √(1−c²/c²)=0이 되므로 물체는 완전히 평면 도형으로 "납작해집니다." 이것은 현실의 물리적 의미는 아니고, 오직 빛의 속도는 절대로 도달할 수 없다는 상대성이론의 핵심을 드러내는 수학적 극한입니다. 이는 빛의 속도가 우주에서 최대 속도임을 강력하게 시사합니다.
whereas the Y and Z dimensions...do not appear modified by the motion, the X dimension appears shortened in the ratio [수식]:whereas(반면에)로 Y·Z축과 X축의 대조되는 결과를 병렬로 제시합니다.For v=c all moving objects—viewed from the "stationary" system—shrivel up into plane figures:For가 "~인 경우에"라는 조건의 의미로 쓰였고, 대시 삽입구가 관찰 기준을 명시합니다.
It is clear that the same results hold good of bodies at rest in the “stationary” system, viewed from a system in uniform motion.
"정지" 계에 정지해 있는 물체들의 경우도 움직이는 계에서 본 동일한 결과들이 성립한다는 것이 명백하다.
이 단락에는 별도로 설명이 필요한 배경지식이 없습니다.
- 이 문장은 특별히 어려운 구조가 없습니다. 앞 결과가 반대 관점(정지계 → 운동계)에서도 대칭적으로 성립함을 짧게 확인하는 문장입니다.
Further, we imagine one of the clocks which are qualified to mark the time t when at rest relatively to the stationary system, and the time τ when at rest relatively to the moving system, to be located at the origin of the co-ordinates of k. What is the rate of this clock, when viewed from the stationary system? Between the quantities x, t, and τ, which refer to the position of the clock, we have, evidently, x=vt, and it follows that τ=t√(1−v²/c²).
더욱이, 우리는 정지 계에 대해 정지 상태에 있을 때 시간 t를 표시하도록 적격이고 움직이는 계에 대해 정지 상태에 있을 때 시간 τ를 표시하도록 적격인 그러한 시계들 중 하나가 k의 좌표 원점에 위치해 있다고 상정한다. 이 시계가 정지 계에서 본 속도(rate)는 얼마인가? 시계의 위치에 관련되는 x, t, τ 사이에는 명백히 x=vt이고, 이로부터 τ=t√(1−v²/c²)가 따른다.
시간 지연의 개념을 소개합니다. 이는 길이 수축과 함께 특수상대성이론의 가장 중요하고 유명한 결론입니다.
움직이는 시계는 더 느리게 간다
이 단락의 핵심은 움직이는 시계는 정지한 시계보다 시간이 더 천천히 간다는 놀라운 사실입니다.
두 가지 시계 관점
정지한 계의 관점에서는 정지한 시계가 정상 속도로 시간을 표시합니다(이를 t라고 함). 움직이는 계의 관점에서는 움직이는 시계가 자신의 관점에서 정상 속도로 시간을 표시합니다(이를 τ라고 함). 그런데 정지한 계에서 움직이는 시계를 관찰하면, 움직이는 시계가 표시하는 τ와 정지한 시계가 표시하는 t 사이에는 특별한 관계가 있습니다: τ = t√(1−v²/c²). 이것은 τ가 항상 t보다 작다는 뜻입니다(√(1−v²/c²) < 1 이므로). 즉, 움직이는 시계가 표시하는 시간이 더 천천히 흐르는 것처럼 보입니다.
일상 속도에서는 거의 감지되지 않음
이 효과는 매우 엄청나게 느립니다. 예를 들어 비행기(시속 900km ≈ 250m/s)로 비행하는 경우, v/c ≈ 0.0000008이므로 거의 감지되지 않는 수준입니다. 하지만 우주 비행사가 국제우주정거장(시속 28,000km ≈ 7,800m/s)에서 6개월을 보낸다면, 약 0.17초의 시간 차이가 생깁니다.
we imagine one of the clocks which are qualified to mark the time t...and the time τ...:which관계대명사절이one of the clocks를 수식하며,to mark A...and B두 개의 목적어가 병렬 연결됩니다.Between the quantities x, t, and τ, which refer to the position of the clock, we have, evidently, x=vt: 전치사구(Between ~)가 문두에 나온 도치에 가까운 구조입니다.
Whence it follows that the time marked by the clock (viewed in the stationary system) is slow by [수식: 1−√(1−v²/c²)] seconds per second, or—neglecting magnitudes of fourth and higher order—by ½v²/c².
따라서 시계가 표시하는 시간(정지 계에서 본)은 [수식: 1−√(1−v²/c²)] 초/초만큼 느리거나, 또는—4차 및 그 이상의 차수의 항들을 무시하면—½v²/c²만큼 느리다.
정량적 표현
"1초 중에 얼마만큼 느린가"를 두 가지 방식으로 표현합니다. 정확한 표현은 1−√(1−v²/c²) 초/초 느림이고, 근사 표현은 일상적인 속도에서는 ½v²/c² 초/초 느림입니다.
근사 표현이 필요한 이유
v가 c에 비해 매우 작을 때(대부분의 일상 상황), √(1−v²/c²)는 정말 1에 가깝습니다. 이렇게 작은 차이를 계산하려면 복잡한 수학이 필요하므로, Einstein은 "4차 이상의 항을 무시하면 ½v²/c²"라는 더 간단한 공식을 제시합니다.
실제 수치 예
GPS 위성(시속 약 14,000km)의 경우 v/c ≈ 0.0000127, ½v²/c² ≈ 8 × 10⁻¹¹(초/초)이며, 하루 동안 약 0.007초 시간 차이가 발생합니다. 이 때문에 GPS는 정확한 위치 파악을 위해 상대성이론을 반영한 보정이 필수입니다.
Whence it follows that the time marked by the clock (viewed in the stationary system) is slow by [수식] seconds per second:Whence(그로부터, 문어체)+it follows that(그 결과 ~임이 따라 나온다) 가주어 구문입니다.neglecting magnitudes of fourth and higher order: 분사구문(조건: 4차 이상의 크기를 무시하면)입니다.
From this there ensues the following peculiar consequence. If at the points A and B of K there are stationary clocks which, viewed in the stationary system, are synchronous; and if the clock at A is moved with the velocity v along the line AB to B, then on its arrival at B the two clocks no longer synchronize, but the clock moved from A to B lags behind the other which has remained at B by ½tv²/c² (up to magnitudes of fourth and higher order), t being the time occupied in the journey from A to B.
이로부터 다음의 독특한 결과가 생긴다. K의 점 A와 B에 정지 계의 시계들이 있고, 정지 계에서 본 이들이 동기화되어 있으며, A의 시계가 AB 직선을 따라 속도 v로 B로 움직인다면, B에 도착할 때 두 시계는 더 이상 동기화되지 않지만, A에서 B로 옮겨진 시계는 B에 남아 있던 다른 시계보다 ½tv²/c²만큼(4차 및 그 이상의 차수의 항들을 무시하면) 뒤떨어진다. 여기서 t는 A에서 B로의 여행에 소요된 시간이다.
시간 지연의 실제 결과: 이동한 시계가 뒤떨어진다
이제 이론이 현실에 미치는 영향을 봅니다. 만약 두 개의 정확히 같은 시계를 A와 B라는 두 장소에 놓고 정확히 같은 시간을 표시하도록 맞춘 다음, 한쪽 시계를 빠르게 움직여 A에서 B로 이동시킨다면 어떻게 될까요? 놀라운 결과는, B에 도착했을 때, 움직인 시계는 B에 남아있던 시계보다 뒤떨어져 있다는 것입니다.
정량적 계산
뒤떨어진 시간의 양은 ½ × (여행 시간) × (속도²/빛의 속도²)입니다. 일상 속도에서는 측정 불가능할 정도로 미세하지만, 매우 빠른 우주선이라면 명확하게 관찰될 수 있습니다.
중요한 의미: 절대적인 동시성이 없다
이 결과는 깊은 철학적 의미를 가집니다. 그것은 "지금 이 순간"이 모든 장소에서 같다는 고전 물리학의 가정이 틀렸다는 뜻입니다. 한 계에서 동기화된 두 시계가 다른 계에서는 동기화되지 않을 수 있습니다.
If at the points A and B of K there are stationary clocks which, viewed in the stationary system, are synchronous:there are구문 안에 관계대명사절이 삽입되고, 그 안에 다시 분사구문(viewed)이 삽입된 이중 삽입 구조입니다.the clock moved from A to B lags behind the other which has remained at B by...:moved는the clock을 수식하는 과거분사이고,lag behind(~보다 뒤처지다)가 핵심 동사입니다.
It is at once apparent that this result still holds good if the clock moves from A to B in any polygonal line, and also when the points A and B coincide. If we assume that the result proved for a polygonal line is also valid for a continuously curved line, we arrive at this result: If one of two synchronous clocks at A is moved in a closed curve with constant velocity until it returns to A, the journey lasting t seconds, then by the clock which has remained at rest the travelled clock on its arrival at A will be ½tv²/c² second slow. Thence we conclude that a balance-clock at the equator must go more slowly, by a very small amount, than a precisely similar clock situated at one of the poles under otherwise identical conditions.
시계가 A에서 B로 임의의 다각형 경로를 따라 움직이거나 또한 점 A와 B가 일치할 때도 이 결과는 즉시 명백하게 성립한다. 다각형 경로에 대해 증명된 결과가 연속곡선에도 타당하다고 가정하면, 우리는 다음 결과에 도달한다: A에 있는 동기화된 두 시계 중 하나가 일정한 속도로 닫힌 곡선을 따라 A로 돌아올 때까지 움직인다면, 그 여행이 t초 지속되는 동안, 정지해 있던 시계에 의해 측정했을 때 움직인 시계는 A에 도착할 때 ½tv²/c² 초만큼 느리다. 따라서 우리는 다음을 결론짓는다: 등지(equator)의 균형 시계는, 그 외 조건이 동일하다면, 극지의 유사한 시계보다 매우 작은 양만큼 더 느리게 가야 한다.
닫힌 경로에서도 같은 결과가 나타난다
PARA 23은 A에서 B로의 직선 경로에 대한 것이었습니다. 그런데 흥미롭게도, 경로가 구부러지거나 복잡하더라도, 또는 심지어 A에서 출발해 다양한 경로를 거쳐 다시 A로 돌아오는 "닫힌 경로"(폐곡선)에서도 같은 원리가 적용됩니다.
"쌍둥이 역설"의 원형
이것이 바로 유명한 "쌍둥이 역설(twin paradox)"의 수학적 근거입니다. 쌍둥이 A는 지구에 남고, 쌍둥이 B는 우주선을 타고 매우 빠른 속도로 우주를 한 바퀴 돌아 다시 지구로 돌아온다고 상상해봅시다. 결과적으로 B가 돌아올 때, B의 시간이 A의 시간보다 덜 흘렀으므로 B가 A보다 나이가 적습니다. 이것은 우리 상식에 완전히 모순되지만, 상대성이론에 따르면 엄밀히 참입니다.
적도와 극지 시계의 사고실험
Einstein이 제시한 구체적인 예는 지구의 적도에 있는 시계와 극지에 있는 시계입니다. 적도의 시계는 지구의 자전으로 인해 하루에 약 시속 1,670km의 속도로 움직이지만, 극지의 시계는 지구의 자전축 근처에 있어서 거의 움직이지 않습니다. 따라서 상대성이론에 따르면 적도의 시계는 약간 느리게 가야 하고, 극지의 시계는 더 정확한 시간을 표시합니다. 하지만 이 차이는 지구의 자전 속도에서는 매우 매우 작아서, 1년 동안 약 0.0000024초(2.4나노초) 수준입니다. 현대 원자시계로는 이를 측정할 수 있지만, 일상적인 시계나 손목시계로는 전혀 감지할 수 없습니다.
상대성이론이 일상 속도에서 무시할 수 있는 이유
이 사고실험은 상대성이론이 모든 속도에서 참이지만, 낮은 속도에서는 그 효과가 무시할 수 있을 정도로 미세하다는 점을 보여줍니다. 이것이 Newton의 고전 물리학이 수백 년 동안 정확한 것처럼 보인 이유입니다.
It is at once apparent that this result still holds good if the clock moves...: 가주어It+ 진주어(that ~) 구조입니다.If we assume that the result proved for a polygonal line is also valid for a continuously curved line, we arrive at this result::assume that ~안에 과거분사구(proved for a polygonal line)가the result를 수식합니다.Thence we conclude that a balance-clock at the equator must go more slowly...than a precisely similar clock situated at one of the poles:Thence(그로부터, 문어체) +more ~ than비교구문입니다.
[편집자 주 — 이하 생략 안내] 이 지점부터 논문은 §3(좌표·시간 변환의 상세한 수학적 유도, 로렌츠 변환식 도출)과 §5~§10(속도 합성, 맥스웰-헤르츠 방정식의 변환, 도플러 효과, 복사압, 전자기 유도전류, 그리고 느리게 가속되는 전자의 동역학)으로 이어진다. 이 부분들은 위에서 소개한 두 공준(상대성 원리, 광속 불변)으로부터 로렌츠 변환식을 수학적으로 유도하고, 그것을 전자기학의 여러 현상에 적용하는 내용으로, 개념적 결론(길이 수축, 시간 지연, 동시성의 상대성)은 이미 위에서 다룬 것과 같은 계열이지만 전개 과정이 대수적 유도 중심이라 이 발췌본에서는 다루지 않는다. §10에서는 이 논문이 훗날 E=mc²으로 이어지는 실마리가 되는, 전자의 운동에너지에 대한 다음 식이 유도된다: [수식: W = mc²{1/√(1−v²/c²) − 1}] — 이는 전자의 속도가 광속에 가까워질수록 그것을 가속하는 데 필요한 에너지가 무한히 커진다는 것을 보여주며, 이후 질량-에너지 등가 원리로 발전하는 초기 형태다. 전문은 하단 링크에서 확인할 수 있다.
In conclusion I wish to say that in working at the problem here dealt with I have had the loyal assistance of my friend and colleague M. Besso, and that I am indebted to him for several valuable suggestions.
결론적으로, 여기서 다룬 문제의 연구에 있어서 나는 나의 친구이자 동료인 M. 베소의 충실한 도움을 받았으며, 나는 그의 여러 귀중한 제안에 대해 그에게 빚지고 있음을 말하고자 한다.
미셸 베소는 아인슈타인이 스위스 베른 특허청에서 일할 때 만난 동료입니다. 두 사람은 휴시간에 물리학 문제들을 함께 토론했는데, 이런 대화들이 아인슈타인이 특수상대성이론을 완성하는 데 큰 도움을 주었다고 알려져 있습니다. 이 감사 인사는 어려운 문제를 풀 때 좋은 동료와의 대화와 협력이 얼마나 중요한지를 보여주는 과학사의 흥미로운 순간입니다.
I have had the loyal assistance of my friend and colleague M. Besso, and that I am indebted to him for several valuable suggestions:have had(현재완료, 도움을 받아왔다) +be indebted to A for B(A에게 B에 대해 빚지고 있다) 관용구가 쓰였습니다. 논문 전체에서 유일하게 개인적 감사를 표하는 문장입니다.
저작권 안내 · Copyright Notice
이 논문은 1905년(영역본 1923년) 발표되어 퍼블릭 도메인(Public Domain)인 저작물입니다. 본 페이지가 사용한 영역본(fourmilab.ch 판본)은 자체적으로 "may be reproduced in any manner or medium without permission, restriction, attribution, or compensation"이라고 명시하고 있습니다.
원문 출처: fourmilab.ch — On the Electrodynamics of Moving Bodies
서지 정보: Einstein, A. (1905). Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik 17권, 891–921. 영역본: 영역본: W. Perrett & G. B. Jeffery, The Principle of Relativity (Methuen & Co., 1923).
이 글은 원논문(총 10개 절, 수식 유도 중심)의 약 1/6에 해당하는 개념적 서술 부분만 발췌한 것입니다. 로렌츠 변환의 상세 유도와 전자기학 응용(§3, §5~§10)은 다루지 않으며, 전문은 위 링크에서 확인할 수 있습니다.
이 페이지는 개인 학습용 한영 대역 자료입니다. 문의: piratecmj@gmail.com