전차는 기원전 5세기부터 중국의 전장에서 활약했습니다. 주로 병사를 보호하는 이동식 방어 거점 역할을 했으며, 터널 굴착이나 참호 파기 같은 공병 작업에도 동원되었습니다.
바로 이런 초기 형태에서 출발해, 서기 3세기 무렵 특별한 변형이 등장합니다. 나침반처럼 방향을 알려주는 탈것이었지만, 북쪽이 아니라 차체가 어느 방향으로 회전하든 언제나 남쪽을 가리켰습니다.
이른바 '지남차(指南車)'는 두 바퀴 달린 수레 위에 팔을 뻗은 사람 형상의 포인터가 얹혀 있었고, 그 손끝은 늘 남쪽을 향한다고 전해집니다. 주된 용도는 항해용 나침반이었겠지만, 그 밖의 쓰임새도 있었을 것으로 보입니다.
문헌상 확실하게 기록된 최초의 지남차는 서기 200년에서 265년 사이에 활동한 엔지니어 마준(馬鈞)의 작품입니다. 그는 삼국시대 위(魏)나라 사람으로, 비단 직기를 개량한 인물로도 널리 알려져 있으며, 지남차의 발명자로서 이름을 남겼습니다.
흥미로운 점은 이 장치가 자석을 전혀 쓰지 않았다는 사실입니다. 당시에는 아직 자침 나침반이 알려지지 않았기 때문에, 대신 차동 기어(differential gear)—서로 다른 속도로 회전하는 구동 바퀴에 동일한 토크를 분배하는 장치—를 응용해 방향을 유지했습니다. 참고로 자침 나침반이 등장하기까지는 그로부터 7세기 이상이 더 지나야 했습니다.
여정을 시작할 때 포인터는 수동으로 남쪽을 맞춥니다. 이후 차량이 회전할 때마다 기어 장치가 차체의 회전을 상쇄하며 포인터가 계속 한 방향, 즉 끊임없이 남쪽을 가리키도록 만들었습니다. 요컨대 이 메커니즘은 일종의 추측 항법(dead reckoning)을 수행한 셈으로, 방향 감각은 있지만 오차가 누적되기 쉬운 방식이었습니다.
구조를 좀 더 들여다보면, 사람 형상의 포인터는 중간 기어를 통해 양쪽 바퀴의 회전 속도 차이에 비례해 도는 축에 연결되어 있었습니다. 차가 직진할 때는 두 바퀴의 속도가 같아 포인터가 움직이지 않았고, 커브를 돌면 바퀴들의 회전 속도가 달라지면서 차동 장치가 이를 감지해 포인터를 돌려 차체의 회전을 정확히 보상했습니다.
중세 후기 왕조 시대에 이르면 마준의 남쪽 지시 전차는 거리를 측정하는 주행 거리계와 하나의 장치로 결합됩니다. 중국 기록에 따르면 지남차는 적어도 1300년경까지 간헐적으로 사용된 것으로 보입니다.
일부 문헌은 지남차의 기원이 훨씬 더 오래되었다고 암시합니다. 남조 유송(劉宋) 왕조의 역사인 《송서(宋書)》—서기 502년에서 577년 사이 심약(沈約)이 저술한 책—가 대표적인 예입니다.
이 기록에 따르면 마준이 새 표본을 만드는 데 몰두했던 까닭은, 이전의 지남차가 모두 소실되어 버렸고 '그런 물건은 애초에 존재할 수 없다'며 의심하는 학자들이 많았기 때문이라고 합니다.
다만 실제로 제작된 지남차 대부분은 성능이 좋지 못했던 것으로 보입니다. 아마 짧은 거리에서만 쓸모가 있었을 것이고, 여행 중에는 기어를 여러 번 다시 조정해야 했습니다. 그러다 5세기 말, 조충지(祖沖之)라는 엔지니어가 탁월한 작품을 선보입니다. 수많은 곡선을 그리며 방향을 거듭 바꾸는 시험에서도 단 한 번도 남쪽을 가리키는 일을 멈추지 않았다고 전해집니다.
물론 근본적인 한계는 있었습니다. 지구 표면의 곡률 때문에 이 장치들은 필연적으로 부정확해질 수밖에 없었습니다. 짧은 여행이라면 오차가 작아 큰 문제가 되지 않았지만, 장거리 이동에서는 상당히 불완전한 나침반으로 전락하고 말았습니다.
그럼에도 차동 기어로 구동되는 지남차가 실재했다면, 이는 시계에 평균태양시와 진태양시의 차이를 보정하는 역사상 최초의 차동 장치를 만든 조지프 윌리엄슨(Joseph Williamson)의 업적보다 수백 년 앞선 일입니다. 물론 고대 그리스의 안티키테라 메커니즘에도 차동 기어가 사용되었을 가능성은 열려 있습니다.
안타깝게도 이런 역사적 수레는 현존하지 않지만, 베이징 역사 박물관과 타이베이 국립 고궁 박물관에서 원형을 꽤 충실하게 재현한 복제품을 볼 수 있습니다. 또한 캐나다 토론토의 온타리오 과학 센터에는 실제로 작동하는 복제품 두 대가 전시되어 있으며, 두바이나 일본 등 다른 지역에서도 사례를 찾아볼 수 있습니다.
