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가장 중요한 과학적 발견
특수 상대성 이론. 과학적 발견의 역사와 본질
1905년, 독일 과학 저널 Annalen der Physicist에 30페이지 분량의 짧은 기사가 XNUMX세의 한 소년에게 실렸습니다. 알버트 아인슈타인 특수 상대성 이론이 거의 완벽하게 설명된 "움직이는 물체의 전기역학에 관하여"는 특허청의 젊은 전문가를 곧 유명하게 만들었습니다. 같은 해에 "신체의 관성은 그 안에 포함된 에너지에 의존합니까?"라는 기사가 같은 저널에 게재되어 첫 번째 저널을 보완했습니다. 특수 상대성 이론은 처음부터 등장한 것이 아니라 XNUMX세기 중반부터 많은 물리학자들이 연구해 온 움직이는 물체의 전기역학적 문제의 해결에서 비롯되었습니다. 그들은 전자기파가 전파되는 에테르-매질의 존재를 발견하려고 했습니다. 에테르는 모든 몸체를 관통하지만 운동에는 참여하지 않는다고 가정했습니다. 발광 에테르의 다양한 모델이 만들어졌으며 그 속성에 대한 가설이 제시되었습니다. 움직이지 않는 에테르가 절대적으로 휴식을 취하는 기준 틀로 작용할 수 있을 것 같았습니다. 뉴턴 신체의 "진정한" 움직임을 고려했습니다. 뉴턴의 견해에 따르면 우주에는 어느 지점에서든 "절대 시간"의 경과를 계산하는 "정상 시계"가 있습니다. 또한 "절대 운동", 즉 "한 절대 위치에서 다른 절대 위치로의 신체 이동"이 있습니다. XNUMX년 동안 뉴턴의 원리는 정확하고 흔들리지 않는 것으로 간주되었습니다. 어떤 물리학자도 그들에게 질문하지 않았습니다. Ernst Mach는 Newton의 원리를 공개적으로 비판한 최초의 사람이었습니다. 그는 실험 물리학과에서 과학 경력을 시작했으며 오스트리아에 자신의 실험실을 가졌습니다. Mach는 음파로 실험을 수행하고 관성 현상을 연구했습니다. Mach는 "절대 공간", "절대 운동", "절대 시간"의 개념을 논박하려고 했습니다. 아인슈타인은 마하의 작업을 잘 알고 있었고, 이 지인은 상대성 이론에 대한 그의 작업에서 중요한 역할을 했습니다. 실험 물리학에서 뉴턴의 도그마도 의문을 제기했습니다. 지구는 태양 주위의 궤도를 따라 움직입니다. 차례로, 태양계는 세계 공간에서 날아갑니다. 결과적으로, 가벼운 에테르가 "절대 공간"에서 정지하고 천체가 그것을 통과한다면, 에테르에 대한 그들의 움직임은 민감한 광학 기기를 사용하여 감지할 수 있는 눈에 띄는 "에테르 바람"을 야기해야 합니다. 1881년 미국인 앨버트 마이컬슨(Albert Michelson)이 12년 전 표현한 아이디어를 바탕으로 '천상의 바람'을 감지하는 실험을 시작했습니다. 맥스웰. 마이컬슨은 다음과 같이 추론했다: 만약 지구가 절대적으로 움직이지 않는 에테르를 통해 움직이면, 특정 조건에서 지구 표면에서 발사된 빛의 광선은 에테르의 움직임을 향해 불어오는 "에테르 바람"에 의해 되돌아갈 것입니다. 지구. "에테르 바람"은 에테르에 대한 상대적인 지구의 변위로 인해서만 발생해야 합니다. 최초의 실험 설정은 베를린의 Michelson에 의해 구축 및 테스트되었으며 모든 기기는 석판에 장착되었으며 하나로 회전할 수 있었습니다. 그런 다음 실험은 미국으로 이전되어 Michelson의 절친한 친구이자 협력자인 Edward Morley의 참여로 수행되었습니다. 과학자들은 가장 약한 "에테르 바람"도 기록할 수 있는 거울 간섭계를 만들었습니다. 1881년과 1887년에 수행된 모든 실험의 결과는 "천상의 바람"의 존재를 부인했습니다. 마이컬슨의 실험은 여전히 물리학 역사상 가장 유명하고 뛰어난 실험 중 하나로 간주될 수 있습니다. 아인슈타인 자신에 따르면, 그는 상대성 이론의 탄생에 매우 중요했습니다. 그러나 모든 물리학자들이 에테르가 존재하지 않으며 뉴턴의 원리에 의문을 제기할 뿐만 아니라 영원히 폐기되어야 한다는 데 동의한 것은 아닙니다. 네덜란드 물리학자 헨드릭 로렌츠 1895년에 그는 에테르를 "저장"하려고 했습니다. 그는 빠르게 움직이는 신체가 수축을 경험한다고 제안했습니다. 1891년 로렌츠 이전에도 아일랜드의 물리학자 조지 피츠제럴드(George Fitzgerald)도 로렌츠가 알지 못했던 비슷한 제안을 했습니다. Lorentz와 Fitzgerald는 에테르의 "압력을 받는" 모든 물체가 평평해지고 짧아진다고 썼습니다. 모든 장치가있는 플레이트와 장치 자체가 단축됩니다. 지구와 그 표면에 있는 사람들은 모두 짧아지고, 이러한 모든 단축과 평탄화의 크기는 "천상의 바람" 효과의 균형을 맞출 수 있는 크기와 같습니다. 과학자들은 또한 "에테리얼 바람"의 전파 시간에 대한 수정 사항을 도입했습니다. 이러한 아이디어는 거의 또는 전혀 뒷받침되지 않은 추측에 불과했습니다. 1904년 가을, 앙리 푸앵카레는 또한 절대적으로 움직이지 않는 에테르를 "저장"하려고 시도했습니다. 그는 어느 정도 일관된 이론의 형태로 로렌츠의 계산을 공식화하려고 시도했지만 이 "이론"은 형식에 불과했습니다. 가장 위대한 마음은 슬프고이 상황에서 벗어날 수있는 방법이없는 것 같았습니다. 그러나 탈출구는 알버트 아인슈타인에 의해 발견되었으며, 그는 물리학을 교착 상태에서 꺼내 새로운 방향으로 이끌었습니다. 아인슈타인은 아직 Aarau의 학교에 있는 동안 사고 실험을 자주 했습니다. 사람이 빛의 속도로 움직이는 광파 뒤에서 볼 수 있는 것입니다. 이 질문은 후에 상대성 이론이라고 불리는 것에 대한 성찰의 시작이 되었습니다. 그의 추론의 시작에 대해 아인슈타인은 "물리학에서 어떤 사건의 공간 좌표와 시간이 의미하는 바에 대한 명확한 아이디어를 얻는 것이 필요했습니다."라고 썼습니다. 아인슈타인은 동시성의 개념을 탐구하는 것으로 시작했습니다. 따라서 뉴턴 역학은 원칙적으로 무한한 속도로 상호 작용의 전파(즉, 신호, 정보의 전송)가 가능하다고 주장합니다. 그리고 아인슈타인의 이론에 따르면, 신호 전송의 최대 속도인 빛의 속도는 여전히 유한하며, 또한 초당 XNUMX만 킬로미터의 모든 관찰자에게 동일한 값을 갖습니다. 따라서 "절대적 동시성"이라는 개념은 물리적 의미가 없으며 적용할 수 없습니다. 아인슈타인은 공간적으로 분리된 사건의 동시성은 상대적이라는 결론에 도달했습니다. 동시성의 상대성이론은 신호의 전파속도가 유한하기 때문이다. 사실, 빛의 속도는 우리가 움직이는 속도보다 훨씬 빠르기 때문에 우리는 이것을 명확하게 상상할 수 없습니다. "절대적 동시성"이 불가능하다면, "절대적 시간"은 존재할 수 없으며, 이는 모든 기준틀에서 동일하다. 물질과 물질의 움직임과 완전히 별개로 주어진 속도로 완전히 흐르는 "절대 시간"의 개념은 잘못된 것으로 판명되었습니다. 각 참조 프레임에는 고유한 "현지 시간"이 있습니다. 아인슈타인의 시간 이론은 과학의 완전히 새로운 단계였습니다. "절대 시간"은 폐기되었고 시간과 운동은 밀접하게 관련되어 있기 때문에 "절대 운동"이라는 뉴턴의 개념을 제거할 필요가 있게 되었습니다. 이것이 아인슈타인이 한 일입니다. 아인슈타인 이론의 첫 번째이자 주요 가정인 상대성 원리는 서로에 대해 균일하고 직선적으로 움직이는 모든 기준틀에서 동일한 자연 법칙이 작동한다고 말합니다. 따라서 고전 역학의 상대성 원리는 전자기 과정을 포함하여 자연의 모든 과정에 외삽됩니다. 한 참조 프레임에서 다른 참조 프레임으로의 전환이 필요한 경우 Lorentz 변환을 사용해야 합니다. 아인슈타인은 이 방정식을 그의 전임자의 작업에 대한 깊은 존경의 표시로 명명했습니다. 아인슈타인은 상대성 이론에서 빛 에테르를 전자기장으로 대체했습니다. 많은 과학자들은 그러한 전환에 매우 고통스럽게 반응했으며 에테르가 존재하지 않는다는 사실을 받아들이지 못했습니다. 위대한 네덜란드인 로렌츠조차도 죽을 때까지 에테르의 존재를 믿었습니다. 아인슈타인의 두 번째 가정은 진공에서 빛의 속도는 모든 관성 기준계에서 동일하다는 것입니다. 소스의 속도 또는 광 신호 수신기의 속도에 의존하지 않습니다. 빛의 속도는 자연에서 일어나는 모든 과정의 상한입니다. 빛의 속도는 한계 속도이며 자연의 어떤 과정도 빛의 속도보다 빠른 속도를 가질 수 없습니다. 두 가지 유명한 역설 또는 결과는 빛의 속도의 불변성에서 비롯됩니다. 거리의 상대성 이론과 시간 간격의 상대성입니다. 거리의 상대성은 거리가 절대값이 아니라 주어진 기준 프레임에 대한 신체의 속도에 의존한다는 사실에 있습니다. 빠르게 움직이는 물체의 치수는 정지한 물체의 길이에 비해 축소됩니다. 빛의 속도로 몸의 속도에 접근하면 그 치수는 XNUMX에 가까워집니다! Lorentz는 Michelson의 실험에서 에테르를 "저장"하려고 할 때도 비슷한 것을 표현했습니다. 시간 간격의 상대성은 첫 번째 프레임에 비해 정지된 참조 프레임의 클럭과 비교하여 빠르게 이동하는 프레임의 클럭 속도를 늦추는 것으로 구성됩니다. 위에서 설명한 효과를 물리학자들은 상대론적이라고 합니다. 즉, 빛의 속도에 가까운 속도로 관찰됩니다. 우리가 실제로 물질체를 빛의 속도에 가까운 속도로 가속하려고 하면 어떻게 될까요? 상대성 이론은 다음과 같이 말로 표현될 수 있는 현재 유명한 공식에 따라 질량과 에너지의 동등성을 주장합니다. "에너지는 질량 곱하기 빛 속도의 제곱과 같습니다." 처음에 신체 에너지의 증가는 질량의 미묘한 증가와 결과적으로 신체의 관성을 동반합니다. 따라서 더 가속하기가 조금 더 어려워집니다. 속도가 빛의 속도에 가까워질수록 이 효과는 점점 더 강렬해져 빛의 속도를 극복할 수 없게 만든다. 아인슈타인의 공식은 XNUMX년대 후반 우라늄 핵분열 반응에서 눈부신 확인을 받았습니다. 동시에 전체 질량의 XNUMX분의 XNUMX이 사라졌고 원자 에너지의 형태로 다시 완전히 드러났습니다. 일반 화학 반응에서도 아인슈타인 비율이 관찰되지만 반응 중에 나타나거나 사라지는 물질의 양은 전체 질량의 XNUMX억분의 XNUMX 미만이므로 매우 정확한 저울로도 감지할 수 없습니다. 특수 상대성 이론에서 등속 운동은 운동 방향이 변하지 않는 등속 운동으로 간주된다는 점을 강조하는 것이 중요합니다. 중력과 같은 외력에 의해 가속도와 함께 운동이 발생하면 특수 상대성 이론은 더 이상 적용될 수 없습니다. 아인슈타인이 발견하고 물리학에 도입한 것은 정말 혁명적이었기 때문에 특수 상대성 이론이 뛰어난 발견이라는 것을 즉시 깨달은 물리학자는 거의 없었습니다. 이해한 사람들 중에는 최대 판자, 그는 다음과 같이 썼습니다. "아인슈타인의 시간 개념은 지금까지 사변적 자연 과학과 지식의 철학적 이론에서 만들어진 모든 것을 대담하게 능가합니다." 1908년 취리히 폴리테크닉에서 아인슈타인을 가르쳤던 독일 수학자 헤르만 민코프스키는 특수 상대성 이론을 위한 수학적 장치를 만들었습니다. Minkowski는 21년 1908월 XNUMX일 독일 박물학자 및 의사 회의(Congress of German Naturalists and Physicians)의 유명한 연설에서 다음과 같이 말했습니다. 이제부터 공간 자체와 시간 자체가 완전히 그림자의 영역으로 사라지고 이 두 개념의 일종의 결합만이 독립적인 존재를 유지합니다. 그 이후로 "민코프스키 세계"는 특수 상대성 이론의 필수적인 부분이 되었습니다. 아인슈타인은 제임스 프랭크에게 이렇게 말했습니다. "내가 정확히 상대성 이론을 만든 이유는 무엇입니까? 스스로에게 이 질문을 던질 때, 그 이유는 다음과 같습니다. 정상적인 성인은 공간과 시간의 문제에 대해 생각하지 않습니다. 그에 따르면, 그는 이미 어린 시절에 이 문제에 대해 생각했습니다. 나는 지능이 너무 느리게 발달하여 성인이 되었을 때 공간과 시간이 내 생각을 지배했습니다. 자연스럽게 나는 정상적인 성향을 가진 아이보다 문제에 더 깊이 들어갈 수 있었습니다. " 아인슈타인은 세계의 세계적 문제가 이미 해결되었다는 "어른" 확신을 갖고 있지 않았습니다. 이 감정은 특별한 지식과 관심의 축적에 의해 억제되지 않았습니다. 그는 운동의 개념에 대해 생각하고 인류의 어린 시절에 내재된 아이디어로 되돌아갔습니다. 고대 상대성 이론은 나중에 절대 기준체로서의 에테르의 개념으로 인해 모호해졌습니다. 에테르의 개념이 폐기되었을 때, 아인슈타인은 운동이 절대적일 수 없다고 결론지었습니다. 저자: Samin D.K.
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