피조 실험: 두 판 사이의 차이

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[[파일:Fizeau-Mascart2.png|오른쪽|섬네일|350x350픽셀| 그림 1. Fizeau 실험에 사용된 장치]]
'''피조(Fizeau) 실험''' <ref name="Becker">{{서적 인용|url=https://books.google.com/books?id=5U7HVjHbphwC|제목=Electromagnetic Fields and Interactions|성=Becker|이름=Richard|성2=Sauter|이름2=Fritz|날짜=1 January 1982|출판사=Courier Corporation|쪽=308|언어=en|isbn=978-0-486-64290-1|확인날짜=9 March 2023}}</ref> <ref name="Rohrlich">{{서적 인용|url=https://books.google.com/books?id=3TqA1394OVcC|제목=From Paradox to Reality: Our Basic Concepts of the Physical World|성=Rohrlich|이름=Fritz|날짜=25 August 1989|출판사=Cambridge University Press|쪽=54|언어=en|isbn=978-0-521-37605-1|확인날짜=9 March 2023}}</ref> <ref name="https://www.google.com/books/edition/Introductory_Special_Relativity/zpjBEBbIjAIC">{{서적 인용|url=https://books.google.com/books?id=zpjBEBbIjAIC|제목=Introductory Special Relativity|성=Rosser|이름=W. G. V.|날짜=6 January 1992|출판사=CRC Press|쪽=113|언어=en|isbn=978-0-85066-838-4|확인날짜=9 March 2023}}</ref> 은 1851년 [[이폴리트 피조]]가 움직이는 수중에서 빛의 상대 속도를 측정하기 위해 수행했다. 피조는 매체의 움직임이 빛의 속도에 미치는 영향을 측정하기 위해 특수 [[간섭법|간섭계]] 배열을 사용했다.

당시의 일반적인 이론에 따르면, 움직이는 매질을 통과하는 빛은 매질에 의해 끌려가므로 측정된 빛의 속도는 매질을 통과하는 '''빛의 속도'''와 '''매질 속도'''의 단순한 합이 될 것이다. 피조는 실제로 드래그 효과를 감지했지만 그가 관찰한 효과의 크기는 예상보다 훨씬 낮았다. 그가 물 대신에 공기로 실험을 반복했을 때 그는 아무런 효과도 관찰하지 못했다. 그의 결과는 겉보기에 대부분의 물리학자들에게 당혹스러운 상황인 [[오귀스탱 프레넬|프레넬]]의 부분적인 에테르 끌기 가설을 뒷받침하는 것 같아 보였다. 피조의 예상치 못한 측정에 대한 만족스러운 설명은 이로부터 반세기 이상 지나서야 [[알베르트 아인슈타인]]의 [[특수 상대성이론|특수 상대성]] 이론이 출현되어 개발되어서 이루어졌다. 나중에 아인슈타인은 작은 속도로 제한될 때 상대론적 속도 추가 공식에 해당하는 특수 상대성 이론에 대한 실험의 중요성을 지적했다.

'''피조의 실험'''이라고 하지만 피조는 다양한 상황에서 빛의 속도를 측정하는 것과 관련된 다양한 실험을 수행한 적극적인 실험자였다.

== 실험의 설정 ==
[[파일:Fizeau_experiment_schematic.svg|섬네일|300x300픽셀| 그림 2. 피조의 실험을 매우 단순화한 표현이다.]]
[[파일:Fizeau_interferometer.JPG|섬네일| 그림 3. 피조 실험 (1851)에서의 [[간섭법|간섭계]] 설정]]
피조의 1851년 실험을 매우 단순화된 표현이 그림 2에 제시되어 있다. 들어오는 빛은 빔 스플리터(BS)에 의해 두 개의 빔으로 분할되고 반대 방향으로 흐르는 두 개의 물 기둥을 통과한다. 그런 다음 두 개의 빔이 재결합되어 관찰자가 해석할 수 있는 간섭 패턴을 형성한다.

그림 2에 나와 있는 단순화된 배열에서는 희미한 간섭무늬만 가능하게 하는 단색 조명을 사용해야 했을 것이다. 백색광의 간섭 길이가 짧기 때문에 백색광을 사용하려면 광학 경로를 비현실적인 정밀도로 일치시켜야 했으며 장치는 진동, 동작 이동 및 온도 효과에 극도로 민감했을 것이다.

한편, Fig.&nbsp;3 및 Fig. 4에 도시되어 있는 피조의 실제의 장비에서는 공통 경로 간섭계로 설정되었다. 이를 통해 반대쪽 빔이 동일한 경로를 통과할 수 있으므로 태양을 광원으로 사용하는 경우에도 줄무늬가 쉽게 형성된다.
{{인용문|text=The double transit of the light was for the purpose of augmenting the distance traversed in the medium in motion, and further to compensate entirely any accidental difference of temperature or pressure between the two tubes, from which might result a displacement of the fringes, which would be mingled with the displacement which the motion alone would have produced; and thus have rendered the observation of it uncertain.<ref name=fiz1 group=P />|author=Fizeau}}
[[파일:Fizeau-Mascart1_retouched.png|가운데|섬네일|700x700픽셀| 그림 4. ''Fizeau 실험'' 설정(1851)]]
소스 ''S &#x2032;'' 에서 나오는 광선은 빔 스플리터 ''G'' 에 의해 반사되고 렌즈 ''L'' 에 의해 평행 빔으로 콜리메이트된다. 슬릿 ''O'' <sub>1</sub> 과 ''O'' <sub>2 를</sub> 통과한 후, 두 개의 광선이 관 ''A'' <sub>1</sub> 과 ''A'' <sub>2</sub> 를 통과하며 화살표로 표시된 것처럼 물이 앞뒤로 흐르고 있다. 광선은 렌즈 ''L &#x2032;'' 의 초점에 있는 거울 ''m'' 에서 반사되므로 한 광선은 항상 물 흐름과 같은 방향으로 전파되고 다른 광선은 물 흐름 방향과 반대 방향으로 전파된다. 튜브를 앞뒤로 통과한 후 두 광선은 ''S'' 에서 결합하여 그림의 접안렌즈를 통해 시각화할 수 있는 간섭 줄무늬를 생성한다. [[간섭 (파동 전파)|간섭 패턴]]을 분석하여 튜브의 각 다리를 따라 이동하는 빛의 속도를 결정할 수 있다.

== 프레넬 드래그 계수 ==
물이 속도 ''v'' 로 파이프에서 흐른다고 가정한다. [[에테르 (물리)|발광 에테르]]의 비상대론적 이론에 따르면, 빛의 속도는 방향에 따라 물이 에테르 프레임을 통해 "끌어갈" 때 증가하거나 감소해야 한다. 스토크스의 완전한 에테르 항력 가설에 따르면 광선의 전체 속도는 물을 '''통과하는''' 속도와 '''물의''' 속도를 더한 단순한 합이어야 한다.

즉, ''n'' 이 물의 [[굴절률]] 이고 ''c/n'' 이 정지한 물에서 빛의 속도이라면 한 팔에서 예상되는 빛의 속도 ''w'' 는 다음과 같을 것이고,

: <math>w_+=\frac{c}{n}+v \, </math>

다른 팔의 예상 속도는 아래와 같이 된다.

: <math>w_-=\frac{c}{n} - v \ . </math>

따라서 물의 흐름을 거슬러 진행하는 빛은 물의 흐름을 따라 진행하는 빛보다 느려야 한다.

빛이 관찰자에서 재결합될 때 두 빔 사이의 [[간섭 (파동 전파)|간섭 패턴은]] 두 경로를 통과하는 통과 시간에 따라 달라지며 물의 속도 함수로 빛의 속도를 계산하는 데 사용할 수 있다. <ref name="Wood" group="S">{{서적 인용|url=https://archive.org/details/bub_gb_Ohp5AAAAIAAJ|제목=Physical Optics|성=Robert Williams Wood|연도=1905|출판사=The Macmillan Company|쪽=[https://archive.org/details/bub_gb_Ohp5AAAAIAAJ/page/n533 514]}}</ref>

피조는 아래와 같이 발견하였다.

: <math>w_+=\frac{c}{n}+ v\left(1-\frac{1}{n^2}\right) \ . </math>

즉, 빛이 물에 의해 끌려가는 것처럼 보였지만, 그 끌림의 크기는 예상보다 훨씬 작았다.

피조 실험은 아라고의 1810년 실험을 설명하기 위해 인용한 [[오귀스탱 프레넬|오귀스템장 프레넬]] (1818)의 오래된 이론, 즉 고정된 에테르를 통해 이동하는 매질이 그것을 통해 전파되는 빛을 매질 속도의 일부 정도만 끌어당긴다는 물리학자의 경험적 타당성을 받아들이도록 물리학자들에게 강요했다. 여기서 일부 정도를 나타내는 항력 계수 ''f'' 아래의 식으로 주어진다.

: <math>f = 1-\frac{1}{n^2} \ . </math>

1895년에 [[헨드릭 로런츠|헨드릭 로렌츠]]는 [[분산 (광학)|분산]]으로 인한 추가 항의 존재를 예측했다. {{참고 쪽|15–20}}

: <math> w_+ = \frac {c}{n} + v \left(1 - \frac{1}{n^2} - \frac{\lambda}{n} \! \cdot \! \frac{ \mathrm{d} n }{ \mathrm{d} \lambda } \right) \ . </math>

매질이 관찰자를 향하거나 멀어지기 때문에 매질을 통해 이동하는 빛은 도플러 편이되며 공식에 사용된 굴절률은 도플러 편이 파장에 적합해야 한다. 제이만(Zeeman)은 1915년에 로렌츠의 분산 항의 존재를 확인했다

== 반복 ==
[[파일:MM86-5.png|섬네일|300x300픽셀| 그림 5. 1886년 Michelson과 Morley가 Fizeau 유형 실험을 개선했다. 소스 '''''a''''' 에서 시준된 빛은 빔 스플리터 '''''b''''' 에 떨어지며 여기서 분할된다. 한 부분은 경로 '''''b c d e f b g''''' 따라 가고 다른 부분은 경로 '''''b f e d c b g''''' 를 따라 간다.]]
[[앨버트 에이브러햄 마이컬슨|앨버트 마이켈슨]]과 [[에드워드 몰리]] (1886)는 피조의 원래 실험에 대한 몇 가지 우려 사항을 해결하면서 향상된 정확도로 피조의 실험을 반복했다. 즉 (1) 피조의 장치 중의 광학 부품의 변형에 의하여 인위적인 간섭무늬의 이동이 발생할 수 있다. (2) 가압된 물의 흐름이 짧은 시간 동안만 지속되었기 때문에 관찰이 급히 이뤄졌다. (3) 피조의 작은 직경 튜브를 통해 흐르는 물의 [[층류]] 프로파일은 중앙 부분만 사용할 수 있고 이는 간섭무늬가 희미하게 됨을 의미한다. (4) 피조의 튜브 직경에 걸친 유속 결정에는 불확실성이 있었다. 마이켈슨은 직경이 더 큰 튜브와 3분 동안 물이 안정적으로 흐르도록 하는 큰 저수지로 피조의 장치를 재설계했다. 그의 공통 경로 간섭계 설계는 경로 길이의 자동 보정을 제공하여 광학 요소가 정렬되자마자 백색광 줄무늬가 한 번에 표시되도록 했다. 위상학적으로 빛의 경로는 각 빛의 경로에서 짝수의 반사를 갖는 사냐크 간섭계의 경로였다. 이것은 광학 부품의 움직임에 전혀 영향을 받지 않는 극도로 안정적인 프린지를 제공했다. 안정성은 그가 유리판을 '''''h''''' 에 삽입하거나 심지어 프린지 시스템의 중심을 이동시키지 않고 빛의 경로에 불이 켜진 성냥을 들고 있는 것이 가능할 정도였다. 이 장치를 사용하여 마이켈슨과 몰리는 물뿐만 아니라 공기에서도 피조의 결과를 완전히 확인할 수 있었다.

다른 실험은 1914-1915년에 [[피터르 제이만]]에 의해 수행되었다. 제이만은 [[암스테르담]]의 주요 수도관에 직접 연결된 마이켈슨 장치의 확대 버전을 사용하여 로렌츠의 수정된 계수를 확인하기 위해 보라색(4358Å)에서 빨간색(6870Å)까지의 단색광을 사용하여 확장된 측정을 수행할 수 있었다. 1910년에 프란츠 해리스는 '''회전하는''' 장치를 사용하여 전체적으로 프레넬의 항력 계수를 확인했다. 그런데 그는 데이터에서 추가적인 "체계적인 편향"을 발견했으며 이는 나중에 사냐크 효과로 밝혀졌다.

그 이후로 종종 사냐크 효과와 함께 굴절률이 다른 다양한 재료에서 이러한 끌림 계수를 측정하는 많은 실험이 수행되었다. 예를 들어, 회전 디스크와 함께 링 레이저를 사용하는 실험에서 또는 중성자 간섭계 실험에서 이루어졌다. 또한 가로 끌기 효과가 관찰되었는데, 이는 매질이 입사광의 방향에 대해 직각으로 움직일 때이다.

== 후크 실험 ==
프레넬 항력 계수의 간접적인 확인은 마틴 후크(Martin Hoek) (1868)에 의해 제공되었다. 그의 장치는 피조의 것과 유사했지만 그의 버전에서는 한쪽 팔에만 휴식하는 물로 채워진 영역이 포함되어 있고 다른 팔은 공중에 있었다. 에테르 속에서 쉬고 있는 관찰자가 볼 수 있듯이 지구와 물은 움직이고 있다. 따라서 반대 방향으로 이동하는 두 광선의 다음 이동 시간은 후크에 의해 계산되었다(가로 방향은 무시, 이미지 참조).
{| align="center"
|<math>t_{1}=\frac{AB}{c+v}+\frac{DE}{\frac{c}{n}-v} \ ,</math>

<math>t_{2}=\frac{AB}{c-v}+\frac{DE}{\frac{c}{n}+v} \ .</math>
|[[파일:HoekExperiment_with_expected_results.png|섬네일|600x600픽셀| 그림 6. Hoek은 관측된 스펙트럼이 에테르 바람을 가로지르는 장치와 연속적이고 바람과 평행한 장치와 띠를 이룰 것으로 예상했습니다. 실제 실험에서 그는 기기의 방향에 관계없이 밴딩이 관찰되지 않았습니다.]]
|}
이동 시간은 동일하지 않으며 간섭 이동으로 표시되어야 한다. 그러나 프레넬의 끌림 계수가 에테르 프레임의 물에 적용되면 이동 시간 차이( ''v/c'' 에서 1차까지)가 사라진다. 다른 설정을 사용하여 Hoek은 실제로 null 결과를 얻어 Fresnel의 항력 계수를 확인했다. (에테르 풍에 대한 '''차폐''' 가능성을 반박하는 유사한 실험에 대해서는 함마르 실험 참조)

여기에 표시된 실험의 특정 버전에서 Hoek은 장치에 들어가기 전에 콜리메이터 ''C'' 를 통과하는 스펙트럼으로 슬릿에서 빛을 분산시키기 위해 프리즘 ''P를'' 사용했다. 장치가 가상의 에테르 바람과 평행하게 향하면 Hoek은 한 회로의 빛이 다른 것과 관련하여 7/600 mm지연될 것으로 예상했다. 이 지연이 파장의 정수를 나타내는 곳에서 그는 보강 간섭을 볼 것으로 예상했다. 이 지연이 파장의 반 정수를 나타내는 곳에서 그는 파괴적인 간섭을 볼 것으로 예상했다. 끌림이 없는 상태에서 그의 기대는 관찰된 스펙트럼이 에테르 바람에 가로 방향으로 향하는 장치와 연속적이고 에테르 바람에 평행하게 향하는 장치와 묶이는 것이었다. 그의 실제 실험 결과는 완전히 부정적이었다.

== 논쟁 ==
프레넬의 가설은 피조의 결과를 설명하는 데 경험적으로 성공적이었지만, 피조 자신(1851), Éleuthère Mascart (1872), Ketteler(1873), Veltmann(1873) 및 Lorentz(1886)를 포함한 해당 분야의 많은 전문가들은 부분적인 에테르 끌기는 여러 가지 이유로 매력적이지 않았다. 예를 들어, Veltmann(1870)은 프레넬의 가설이 아라고 실험의 편향을 "정확히 상쇄"할 수차의 "이른바 보상"으로 제안되었다고 설명한다. 그런 다음 그는 "개발이 끝날 때 여전히 필요"할 프레넬의 가설 대신 스톡스의 완전히 끌려진 에테르를 사용하는 방법을 시연한다. 결국 그는 다음을 명확히 함으로써 별빛 수차의 "설명 클래스"에 대한 "공통 원리"를 나타내는 수학적 관계임을 강조하는 프레넬의 원리로 돌아간다.
{{인용문|The speed with which the movement of light takes part in the movement of the medium depends on the speed of propagation and must therefore be different for each color. (translation by Google) ''Die Geschwindigkeit, mit welcher die Lichtbewegung an der Bewegung des Mediums theilnimmt, hängt von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit ab und müsste deshalb für jede Farbe eine andere sein.''}}
이 선은 "[물질] 매질의 움직임에 대한 빛의 움직임이 [매체에서] 전파 속도에 의존[또한 의존]하는 속도로 더 직접적으로 번역될 수 있으므로 따라서 [여기에서]는 각 색깔별로 하나씩 다른 것이 필요하다." 따라서 매질이 빛의 속도에 영향을 미치는 속도는 주파수에 따라 달라지는 빛의 속도에 대한 변화의 척도로 이미 확립된 굴절률에 따라 달라진다는 프레넬의 수학적 원리(그의 설명은 아님)를 확인한다.

그러나 2005년 역사가 Stachel은 "각 색상에 대해 하나"가 다른 "속도" 또는 "속도" 대신 에테르를 의미한다고 가정하는 다른 해석을 제공한다.
{{인용문|Veltmann (1870) demonstrates experimentally that Fresnel’s formula must be applied using the appropriate (different) index of refraction for each color of light. This means that, however the ether moves, it must move differently for each frequency of light. But what happens when white light (or indeed any mixture of frequencies) passes through a transparent medium?<ref name=Stachel2005 group=S>{{cite book |last=Stachel |first=J. |title=The universe of general relativity|year=2005|publisher=Birkhäuser|location=Boston|isbn=0-8176-4380-X|pages=1–13 |chapter-url=https://books.google.com/books?id=-KlBhDwUKF8C&pg=PA1 |editor=Kox, A.J. |editor2=Eisenstaedt, J |access-date=17 April 2012 |chapter=Fresnel's (dragging) coefficient as a challenge to 19th century optics of moving bodies}}</ref>}}
Mascart(1872)는 복굴절 매체를 통과하는 편광된 빛이 지구의 움직임에 둔감하다는 결과를 보여주었다. 프레넬의 이론이 수차 효과를 상쇄하는 정확한 보상 메커니즘을 나타낸다는 것을 확립한 후, 그는 공동 이동 실험의 도플러 효과에 대한 무감각성을 포함하여 기계적 파동 시스템의 다양한 다른 정확한 보상 메커니즘에 대해 논의한다. 그는 "[프레넬의] 공식은 복굴절 매체에 적용할 수 없습니다."라고 결론지었다. 그는 이방성 매체에서의 실험이 "원편광 전파의 전파에 프레넬이 증명한 공식을 적용하여 얻을 수 있는 것보다 4배 더 낮은 결과 양을 등방체의 경우 생성한다는 그의 발견으로 복굴절 매체에서의 실험에 대한 이 보고서를 마무리했다."

피조 자신은 자신의 보고서 초반에 프레넬 가설의 기계적 타당성을 알고 있었음을 보여주지만, 피조의 놀라움과 스톡스의 완전한 끌림에 대한 기대를 무시한 것은 보고서의 결론에서 다음과 같이 암시되었다.<blockquote><span style="line-height: 1.5em;">마지막으로 에테르의 한 부분만 운반되면 빛의 속도는 증가하지만 첫 번째 가설에서와 같이 전체 속도가 아닌 물체 속도의 일부만 증가합니다.</span> <span style="line-height: 1.5em;">이 결과는 전자만큼 명백하지는 않지만 프레넬은 그것이 큰 확률의 기계적 주장에 의해 뒷받침될 수 있음을 보여주었습니다.</span> <span style="line-height: 1.5em;">[.</span> <span style="line-height: 1.5em;">.</span> <span style="line-height: 1.5em;">.</span> <span style="line-height: 1.5em;">] 실험의 성공은 내가 보기에 프레넬의 가설이 필요하거나 적어도 물체의 운동 효과에 의한 빛의 속도 변화를 표현하기 위해 그가 발견한 법칙을 채택하는 것으로 보입니다. 왜냐하면 그 법칙이 참이라는 것이 결과일 뿐이라는 가설에 찬성하는 매우 강력한 증거일 수 있지만, 아마도 프레넬의 개념은 너무 특별해 보일 수 있고 어떤 면에서는 너무 어려워서 다른 증명과 그것을 사건의 실제 사실에 대한 표현으로 채택하기 전에 기하학자의 심오한 조사가 여전히 필요할 것입니다.</span> </blockquote>대부분의 물리학자들의 불만에도 불구하고  Fresnel의 부분적 에테르 끌기 가설과 함께 피조의 실험( 위 섹션 참조 )에 대한 반복 및 개선을 통해 다른 사람들이 그의 결과를 높은 정확도로 확인했다.

지구의 움직임에 대한 둔감함과 부분적인 에테르 끌기 가설에 대한 불만을 입증한 Mascart의 실험 외에도 [[마이컬슨-몰리 실험|마이켈슨-몰리 실험]] (1887)에서 또 다른 주요 문제가 발생했다. 굴절과 반사에 대한 광학적 실험이 지구의 움직임에 민감하지 않을 것이라는 Mascart의 주장은 이 후기 실험에서 입증되었다. 프레넬의 이론에서 에테르는 거의 고정되어 있고 지구는 에테르를 통해 움직이고 있으므로 실험은 부분적으로 감소했지만 긍정적인 결과를 제공해야 했다. 공기 매개체에 의한 완전한 에테르 끌림만이 무효가 된다. 그러나 이 실험의 결과는 0으로 보고되었다. 따라서 당시의 에테르 모델의 관점에서 볼 때 실험 상황은 모순적이었다. 한편으로는 [[광행차|빛의 수차]], 피조 실험 및 1886년 마이켈슨과 몰리의 반복 실험은 약간의 에테르 끌기만을 지원하는 것으로 나타났다. 한편, 1887년의 마이켈슨-몰리 실험은 에테르가 지구에 대해 정지해 있다는 것을 증명하는 것처럼 보였고, 이는 분명히 완전한 에테르 끌기 아이디어를 뒷받침하는 것으로 보인다( 에테르 끌기 가설 참조). 따라서 피조의 결과를 설명하는 프레넬 가설의 성공은 이론적 위기로 이어지는데, 이는 상대론적 이론의 도입에 의해서만 해결되었다.<blockquote>상대 운동의 광학 원리가 Mascart에 의해 공식화되었다는 점을 감안할 때, 누군가가 1880년경 움직이는 물체의 광학 상황에 의해 제시된 도전에 대한 이러한 운동학적 반응의 일부 또는 전부를 개발하도록 유도되었을 수 있다고 상상하는 것이 환상적입니까? 상대 운동의 전기역학적 원리가 이미 푸앵카레에 의해 공식화되었다는 점을 감안할 때, 움직이는 물체의 전기역학 상황에 의해 제시된 도전에 대한 아인슈타인의 운동학적 반응에 대한 1905년경의 개발은 실제로 일어난 일보다 더 환상적이지 않을 것입니다. </blockquote>

== 로렌츠의 해석 ==
1892년에 [[헨드릭 로런츠|헨드릭 로렌츠]]는 에테르가 완전히 고정되어 있는 프레넬 모델의 수정을 제안했다. 그는 움직이는 물과 끌리지 않은 에테르 사이의 상호 작용의 결과로 프레넬의 끌림 계수를 도출하는 데 성공했다. {{참고 쪽|25–30}} 그는 또한 한 참조 프레임에서 다른 참조 프레임으로의 전환이 '''로컬 시간'''이라고 하는 보조 시간 변수를 사용하여 단순화될 수 있음을 발견했다.

: <math>t^{\prime}=t-\frac{vx}{c^{2}} \ . </math>

1895년에 로렌츠는 현지 시간의 개념을 기반으로 프레넬 계수를 보다 일반적으로 설명했다. 그러나 로렌츠의 이론은 프레넬의 이론과 동일한 근본적인 문제를 가지고 있었다. 고정된 에테르는 [[마이컬슨-몰리 실험|마이켈슨-몰리 실험]]과 모순되었다. 그래서 1892년에 로렌츠는 움직이는 물체가 운동 방향으로 수축한다고 제안했다( [[조지 프랜시스 피츠제럴드|조지 피츠제럴드]]가 이미 1889년에 이 결론에 도달했기 때문에 [[길이 수축|피츠제럴드-로렌츠 수축 가설]]이라 한다). 그가 이러한 효과를 설명하는 데 사용한 방정식은 1904년까지 그에 의해 더욱 발전되었다. 이것들은 이제 그를 기리기 위해 [[로런츠 변환|로렌츠 변환]]이라고 불리며, 아인슈타인이 나중에 제1원리에서 도출한 방정식과 형태가 동일한다. 그러나 아인슈타인의 방정식과 달리 로렌츠의 변환은 엄격하게 '''임시방편적'''이었고 유일한 정당성은 그것이 작동하는 것처럼 보였다는 것이다. {{참고 쪽|27–30}}

== 특수 상대성 이론의 유도 ==
아인슈타인은 로렌츠 방정식이 두 개의 간단한 시작 공준 집합의 논리적 결과로 도출될 수 있는 방법을 보여주었다. 또한 아인슈타인은 정지 상태의 에테르 개념이 특수 상대성 이론에 설 자리가 없으며 로렌츠 변환이 공간과 시간의 본질과 관련이 있음을 인식했다. 움직이는 자석 및 도체 문제, 음의 에테르 드리프트 실험, [[광행차|빛의 수차]] 와 함께 피조 실험은 상대성에 대한 아인슈타인의 생각을 형성한 핵심 실험 결과 중 하나였다. Robert S. Shankland는 아인슈타인과 나눈 몇 가지 대화에서 아인슈타인이 피조 실험의 중요성을 강조했다고 보고했다.
{{인용문|He continued to say the experimental results which had influenced him most were the observations of [[stellar aberration]] and Fizeau's measurements on the speed of light in moving water. "They were enough," he said.}}
[[막스 폰 라우에]] (1907)는 프레넬 항력 계수가 속도 추가에 대한 상대론적 공식, 즉 <ref name="Mermin" group="S">{{서적 인용|url=https://archive.org/details/itsabouttimeunde0000merm|제목=It's about time: understanding Einstein's relativity|성=N David Mermin|연도=2005|출판사=Princeton University Press|쪽=[https://archive.org/details/itsabouttimeunde0000merm/page/39 39]''ff''|isbn=0-691-12201-6}}</ref> 의 자연스러운 결과로 쉽게 설명될 수 있음을 입증했다.

: 움직이지 않는 물에서 빛의 속도는 ''c/n'' 이다.
: 속도 구성 법칙 으로부터 물이 속도 ''v'' (빛과 같은 방향으로)로 흐르는 실험실에서 관찰되는 빛의 속도는 다음과 같다.
:: <math>V_\mathrm{lab}=\frac{\frac{c}{n}+v}{1+\frac{\frac{c}{n}v}{c^2}}=\frac{\frac{c}{n}+v}{1+\frac{v}{cn}} \ .</math>
: 따라서 ''속도'' 의 ''차이'' 는
:: <math>V_\mathrm{lab}-\frac{c}{n} = \frac{\frac{c}{n}+v}{1+\frac{v}{cn}}-\frac{c}{n}=\frac{\frac{c}{n}+v-\frac{c}{n}(1+\frac{v}{cn})}{1+\frac{v}{cn}} </math>&#x2002;<math> = \frac{v\left(1-\frac{1}{n^2}\right)}{1+\frac{v}{cn}}\approx v\left(1-\frac{1}{n^2}\right) \ .</math>
: 이는 {{개행 금지|''v''/''c'' ≪ 1}} 일 때 정확하며 조건 {{개행 금지|''v''/''c'' ≪ 1}} 만족하는 피조의 측정에 기반한 공식과 일치한다.

따라서 피조의 실험은 아인슈타인의 속도 추가 공식의 동일 선상 사례에 대한 증거를 뒷받침한다.



[[앨버트 에이브러햄 마이컬슨|앨버트 마이켈슨]]과 [[에드워드 몰리]] (1886)는 피조의 원래 실험에 대한 몇 가지 우려 사항을 해결하면서 향상된 정확도로 피조의 실험을 반복했다. 즉 (1) 피조의 장치 중의 광학 부품의 변형에 의하여 인위적인 간섭무늬의 이동이 발생할 수 있다. (2) 가압된 물의 흐름이 짧은 시간 동안만 지속되었기 때문에 관찰이 급히 이뤄졌다. (3) 피조의 작은 직경 튜브를 통해 흐르는 물의 [[층류]] 프로파일은 중앙 부분만 사용할 수 있고 이는 간섭무늬가 희미하게 됨을 의미한다. (4) 피조의 튜브 직경에 걸친 유속 결정에는 불확실성이 있었다. 마이켈슨은 직경이 더 큰 튜브와 3분 동안 물이 안정적으로 흐르도록 하는 큰 저수지로 피조의 장치를 재설계했다. 그의 공통 경로 간섭계 설계는 경로 길이의 자동 보정을 제공하여 광학 요소가 정렬되자마자 백색광 줄무늬가 한 번에 표시되도록 했다. 위상학적으로 빛의 경로는 각 빛의 경로에서 짝수의 반사를 갖는 사냐크 간섭계의 경로였다. 이것은 광학 부품의 움직임에 전혀 영향을 받지 않는 극도로 안정적인 프린지를 제공했다. 안정성은 그가 유리판을 '''''h''''' 에 삽입하거나 심지어 프린지 시스템의 중심을 이동시키지 않고 빛의 경로에 불이 켜진 성냥을 들고 있는 것이 가능할 정도였다. 이 장치를 사용하여 마이켈슨과 몰리는 물뿐만 아니라 공기에서도 피조의 결과를 완전히 확인할 수 있었다.

== 같이 보기 ==

* 특수 상대성 이론의 테스트
* 에테르 끌기 가설
* [[특수상대론의 역사|특수 상대성 이론의 역사]]

== 참조 ==
'''보조 출처'''

; 주요 자료
{{특수 상대성 이론의 테스트}}
[[분류:1851년 과학]]
[[분류:물리학 실험]]
[[분류:번역이 검토되지 않은 문서]]

2023년 5월 5일 (금) 20:47 판

그림 1. Fizeau 실험에 사용된 장치

피조(Fizeau) 실험 [1] [2] [3] 은 1851년 이폴리트 피조가 움직이는 수중에서 빛의 상대 속도를 측정하기 위해 수행했다. 피조는 매체의 움직임이 빛의 속도에 미치는 영향을 측정하기 위해 특수 간섭계 배열을 사용했다.

당시의 일반적인 이론에 따르면, 움직이는 매질을 통과하는 빛은 매질에 의해 끌려가므로 측정된 빛의 속도는 매질을 통과하는 빛의 속도매질 속도의 단순한 합이 될 것이다. 피조는 실제로 드래그 효과를 감지했지만 그가 관찰한 효과의 크기는 예상보다 훨씬 낮았다. 그가 물 대신에 공기로 실험을 반복했을 때 그는 아무런 효과도 관찰하지 못했다. 그의 결과는 겉보기에 대부분의 물리학자들에게 당혹스러운 상황인 프레넬의 부분적인 에테르 끌기 가설을 뒷받침하는 것 같아 보였다. 피조의 예상치 못한 측정에 대한 만족스러운 설명은 이로부터 반세기 이상 지나서야 알베르트 아인슈타인특수 상대성 이론이 출현되어 개발되어서 이루어졌다. 나중에 아인슈타인은 작은 속도로 제한될 때 상대론적 속도 추가 공식에 해당하는 특수 상대성 이론에 대한 실험의 중요성을 지적했다.

피조의 실험이라고 하지만 피조는 다양한 상황에서 빛의 속도를 측정하는 것과 관련된 다양한 실험을 수행한 적극적인 실험자였다.

실험의 설정

그림 2. 피조의 실험을 매우 단순화한 표현이다.
그림 3. 피조 실험 (1851)에서의 간섭계 설정

피조의 1851년 실험을 매우 단순화된 표현이 그림 2에 제시되어 있다. 들어오는 빛은 빔 스플리터(BS)에 의해 두 개의 빔으로 분할되고 반대 방향으로 흐르는 두 개의 물 기둥을 통과한다. 그런 다음 두 개의 빔이 재결합되어 관찰자가 해석할 수 있는 간섭 패턴을 형성한다.

그림 2에 나와 있는 단순화된 배열에서는 희미한 간섭무늬만 가능하게 하는 단색 조명을 사용해야 했을 것이다. 백색광의 간섭 길이가 짧기 때문에 백색광을 사용하려면 광학 경로를 비현실적인 정밀도로 일치시켜야 했으며 장치는 진동, 동작 이동 및 온도 효과에 극도로 민감했을 것이다.

한편, Fig. 3 및 Fig. 4에 도시되어 있는 피조의 실제의 장비에서는 공통 경로 간섭계로 설정되었다. 이를 통해 반대쪽 빔이 동일한 경로를 통과할 수 있으므로 태양을 광원으로 사용하는 경우에도 줄무늬가 쉽게 형성된다.

The double transit of the light was for the purpose of augmenting the distance traversed in the medium in motion, and further to compensate entirely any accidental difference of temperature or pressure between the two tubes, from which might result a displacement of the fringes, which would be mingled with the displacement which the motion alone would have produced; and thus have rendered the observation of it uncertain.[P 1]

— Fizeau
그림 4. Fizeau 실험 설정(1851)

소스 S ′ 에서 나오는 광선은 빔 스플리터 G 에 의해 반사되고 렌즈 L 에 의해 평행 빔으로 콜리메이트된다. 슬릿 O 1O 2 를 통과한 후, 두 개의 광선이 관 A 1A 2 를 통과하며 화살표로 표시된 것처럼 물이 앞뒤로 흐르고 있다. 광선은 렌즈 L ′ 의 초점에 있는 거울 m 에서 반사되므로 한 광선은 항상 물 흐름과 같은 방향으로 전파되고 다른 광선은 물 흐름 방향과 반대 방향으로 전파된다. 튜브를 앞뒤로 통과한 후 두 광선은 S 에서 결합하여 그림의 접안렌즈를 통해 시각화할 수 있는 간섭 줄무늬를 생성한다. 간섭 패턴을 분석하여 튜브의 각 다리를 따라 이동하는 빛의 속도를 결정할 수 있다.

프레넬 드래그 계수

물이 속도 v 로 파이프에서 흐른다고 가정한다. 발광 에테르의 비상대론적 이론에 따르면, 빛의 속도는 방향에 따라 물이 에테르 프레임을 통해 "끌어갈" 때 증가하거나 감소해야 한다. 스토크스의 완전한 에테르 항력 가설에 따르면 광선의 전체 속도는 물을 통과하는 속도와 물의 속도를 더한 단순한 합이어야 한다.

즉, n 이 물의 굴절률 이고 c/n 이 정지한 물에서 빛의 속도이라면 한 팔에서 예상되는 빛의 속도 w 는 다음과 같을 것이고,

다른 팔의 예상 속도는 아래와 같이 된다.

따라서 물의 흐름을 거슬러 진행하는 빛은 물의 흐름을 따라 진행하는 빛보다 느려야 한다.

빛이 관찰자에서 재결합될 때 두 빔 사이의 간섭 패턴은 두 경로를 통과하는 통과 시간에 따라 달라지며 물의 속도 함수로 빛의 속도를 계산하는 데 사용할 수 있다. [S 1]

피조는 아래와 같이 발견하였다.

즉, 빛이 물에 의해 끌려가는 것처럼 보였지만, 그 끌림의 크기는 예상보다 훨씬 작았다.

피조 실험은 아라고의 1810년 실험을 설명하기 위해 인용한 오귀스템장 프레넬 (1818)의 오래된 이론, 즉 고정된 에테르를 통해 이동하는 매질이 그것을 통해 전파되는 빛을 매질 속도의 일부 정도만 끌어당긴다는 물리학자의 경험적 타당성을 받아들이도록 물리학자들에게 강요했다. 여기서 일부 정도를 나타내는 항력 계수 f 아래의 식으로 주어진다.

1895년에 헨드릭 로렌츠분산으로 인한 추가 항의 존재를 예측했다. :15–20

매질이 관찰자를 향하거나 멀어지기 때문에 매질을 통해 이동하는 빛은 도플러 편이되며 공식에 사용된 굴절률은 도플러 편이 파장에 적합해야 한다. 제이만(Zeeman)은 1915년에 로렌츠의 분산 항의 존재를 확인했다

반복

그림 5. 1886년 Michelson과 Morley가 Fizeau 유형 실험을 개선했다. 소스 a 에서 시준된 빛은 빔 스플리터 b 에 떨어지며 여기서 분할된다. 한 부분은 경로 b c d e f b g 따라 가고 다른 부분은 경로 b f e d c b g 를 따라 간다.

앨버트 마이켈슨에드워드 몰리 (1886)는 피조의 원래 실험에 대한 몇 가지 우려 사항을 해결하면서 향상된 정확도로 피조의 실험을 반복했다. 즉 (1) 피조의 장치 중의 광학 부품의 변형에 의하여 인위적인 간섭무늬의 이동이 발생할 수 있다. (2) 가압된 물의 흐름이 짧은 시간 동안만 지속되었기 때문에 관찰이 급히 이뤄졌다. (3) 피조의 작은 직경 튜브를 통해 흐르는 물의 층류 프로파일은 중앙 부분만 사용할 수 있고 이는 간섭무늬가 희미하게 됨을 의미한다. (4) 피조의 튜브 직경에 걸친 유속 결정에는 불확실성이 있었다. 마이켈슨은 직경이 더 큰 튜브와 3분 동안 물이 안정적으로 흐르도록 하는 큰 저수지로 피조의 장치를 재설계했다. 그의 공통 경로 간섭계 설계는 경로 길이의 자동 보정을 제공하여 광학 요소가 정렬되자마자 백색광 줄무늬가 한 번에 표시되도록 했다. 위상학적으로 빛의 경로는 각 빛의 경로에서 짝수의 반사를 갖는 사냐크 간섭계의 경로였다. 이것은 광학 부품의 움직임에 전혀 영향을 받지 않는 극도로 안정적인 프린지를 제공했다. 안정성은 그가 유리판을 h 에 삽입하거나 심지어 프린지 시스템의 중심을 이동시키지 않고 빛의 경로에 불이 켜진 성냥을 들고 있는 것이 가능할 정도였다. 이 장치를 사용하여 마이켈슨과 몰리는 물뿐만 아니라 공기에서도 피조의 결과를 완전히 확인할 수 있었다.

다른 실험은 1914-1915년에 피터르 제이만에 의해 수행되었다. 제이만은 암스테르담의 주요 수도관에 직접 연결된 마이켈슨 장치의 확대 버전을 사용하여 로렌츠의 수정된 계수를 확인하기 위해 보라색(4358Å)에서 빨간색(6870Å)까지의 단색광을 사용하여 확장된 측정을 수행할 수 있었다. 1910년에 프란츠 해리스는 회전하는 장치를 사용하여 전체적으로 프레넬의 항력 계수를 확인했다. 그런데 그는 데이터에서 추가적인 "체계적인 편향"을 발견했으며 이는 나중에 사냐크 효과로 밝혀졌다.

그 이후로 종종 사냐크 효과와 함께 굴절률이 다른 다양한 재료에서 이러한 끌림 계수를 측정하는 많은 실험이 수행되었다. 예를 들어, 회전 디스크와 함께 링 레이저를 사용하는 실험에서 또는 중성자 간섭계 실험에서 이루어졌다. 또한 가로 끌기 효과가 관찰되었는데, 이는 매질이 입사광의 방향에 대해 직각으로 움직일 때이다.

후크 실험

프레넬 항력 계수의 간접적인 확인은 마틴 후크(Martin Hoek) (1868)에 의해 제공되었다. 그의 장치는 피조의 것과 유사했지만 그의 버전에서는 한쪽 팔에만 휴식하는 물로 채워진 영역이 포함되어 있고 다른 팔은 공중에 있었다. 에테르 속에서 쉬고 있는 관찰자가 볼 수 있듯이 지구와 물은 움직이고 있다. 따라서 반대 방향으로 이동하는 두 광선의 다음 이동 시간은 후크에 의해 계산되었다(가로 방향은 무시, 이미지 참조).

그림 6. Hoek은 관측된 스펙트럼이 에테르 바람을 가로지르는 장치와 연속적이고 바람과 평행한 장치와 띠를 이룰 것으로 예상했습니다. 실제 실험에서 그는 기기의 방향에 관계없이 밴딩이 관찰되지 않았습니다.

이동 시간은 동일하지 않으며 간섭 이동으로 표시되어야 한다. 그러나 프레넬의 끌림 계수가 에테르 프레임의 물에 적용되면 이동 시간 차이( v/c 에서 1차까지)가 사라진다. 다른 설정을 사용하여 Hoek은 실제로 null 결과를 얻어 Fresnel의 항력 계수를 확인했다. (에테르 풍에 대한 차폐 가능성을 반박하는 유사한 실험에 대해서는 함마르 실험 참조)

여기에 표시된 실험의 특정 버전에서 Hoek은 장치에 들어가기 전에 콜리메이터 C 를 통과하는 스펙트럼으로 슬릿에서 빛을 분산시키기 위해 프리즘 P를 사용했다. 장치가 가상의 에테르 바람과 평행하게 향하면 Hoek은 한 회로의 빛이 다른 것과 관련하여 7/600 mm지연될 것으로 예상했다. 이 지연이 파장의 정수를 나타내는 곳에서 그는 보강 간섭을 볼 것으로 예상했다. 이 지연이 파장의 반 정수를 나타내는 곳에서 그는 파괴적인 간섭을 볼 것으로 예상했다. 끌림이 없는 상태에서 그의 기대는 관찰된 스펙트럼이 에테르 바람에 가로 방향으로 향하는 장치와 연속적이고 에테르 바람에 평행하게 향하는 장치와 묶이는 것이었다. 그의 실제 실험 결과는 완전히 부정적이었다.

논쟁

프레넬의 가설은 피조의 결과를 설명하는 데 경험적으로 성공적이었지만, 피조 자신(1851), Éleuthère Mascart (1872), Ketteler(1873), Veltmann(1873) 및 Lorentz(1886)를 포함한 해당 분야의 많은 전문가들은 부분적인 에테르 끌기는 여러 가지 이유로 매력적이지 않았다. 예를 들어, Veltmann(1870)은 프레넬의 가설이 아라고 실험의 편향을 "정확히 상쇄"할 수차의 "이른바 보상"으로 제안되었다고 설명한다. 그런 다음 그는 "개발이 끝날 때 여전히 필요"할 프레넬의 가설 대신 스톡스의 완전히 끌려진 에테르를 사용하는 방법을 시연한다. 결국 그는 다음을 명확히 함으로써 별빛 수차의 "설명 클래스"에 대한 "공통 원리"를 나타내는 수학적 관계임을 강조하는 프레넬의 원리로 돌아간다.

The speed with which the movement of light takes part in the movement of the medium depends on the speed of propagation and must therefore be different for each color. (translation by Google) Die Geschwindigkeit, mit welcher die Lichtbewegung an der Bewegung des Mediums theilnimmt, hängt von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit ab und müsste deshalb für jede Farbe eine andere sein.

이 선은 "[물질] 매질의 움직임에 대한 빛의 움직임이 [매체에서] 전파 속도에 의존[또한 의존]하는 속도로 더 직접적으로 번역될 수 있으므로 따라서 [여기에서]는 각 색깔별로 하나씩 다른 것이 필요하다." 따라서 매질이 빛의 속도에 영향을 미치는 속도는 주파수에 따라 달라지는 빛의 속도에 대한 변화의 척도로 이미 확립된 굴절률에 따라 달라진다는 프레넬의 수학적 원리(그의 설명은 아님)를 확인한다.

그러나 2005년 역사가 Stachel은 "각 색상에 대해 하나"가 다른 "속도" 또는 "속도" 대신 에테르를 의미한다고 가정하는 다른 해석을 제공한다.

Veltmann (1870) demonstrates experimentally that Fresnel’s formula must be applied using the appropriate (different) index of refraction for each color of light. This means that, however the ether moves, it must move differently for each frequency of light. But what happens when white light (or indeed any mixture of frequencies) passes through a transparent medium?[S 2]

Mascart(1872)는 복굴절 매체를 통과하는 편광된 빛이 지구의 움직임에 둔감하다는 결과를 보여주었다. 프레넬의 이론이 수차 효과를 상쇄하는 정확한 보상 메커니즘을 나타낸다는 것을 확립한 후, 그는 공동 이동 실험의 도플러 효과에 대한 무감각성을 포함하여 기계적 파동 시스템의 다양한 다른 정확한 보상 메커니즘에 대해 논의한다. 그는 "[프레넬의] 공식은 복굴절 매체에 적용할 수 없습니다."라고 결론지었다. 그는 이방성 매체에서의 실험이 "원편광 전파의 전파에 프레넬이 증명한 공식을 적용하여 얻을 수 있는 것보다 4배 더 낮은 결과 양을 등방체의 경우 생성한다는 그의 발견으로 복굴절 매체에서의 실험에 대한 이 보고서를 마무리했다."

피조 자신은 자신의 보고서 초반에 프레넬 가설의 기계적 타당성을 알고 있었음을 보여주지만, 피조의 놀라움과 스톡스의 완전한 끌림에 대한 기대를 무시한 것은 보고서의 결론에서 다음과 같이 암시되었다.

마지막으로 에테르의 한 부분만 운반되면 빛의 속도는 증가하지만 첫 번째 가설에서와 같이 전체 속도가 아닌 물체 속도의 일부만 증가합니다. 이 결과는 전자만큼 명백하지는 않지만 프레넬은 그것이 큰 확률의 기계적 주장에 의해 뒷받침될 수 있음을 보여주었습니다. [. . . ] 실험의 성공은 내가 보기에 프레넬의 가설이 필요하거나 적어도 물체의 운동 효과에 의한 빛의 속도 변화를 표현하기 위해 그가 발견한 법칙을 채택하는 것으로 보입니다. 왜냐하면 그 법칙이 참이라는 것이 결과일 뿐이라는 가설에 찬성하는 매우 강력한 증거일 수 있지만, 아마도 프레넬의 개념은 너무 특별해 보일 수 있고 어떤 면에서는 너무 어려워서 다른 증명과 그것을 사건의 실제 사실에 대한 표현으로 채택하기 전에 기하학자의 심오한 조사가 여전히 필요할 것입니다.

대부분의 물리학자들의 불만에도 불구하고  Fresnel의 부분적 에테르 끌기 가설과 함께 피조의 실험( 위 섹션 참조 )에 대한 반복 및 개선을 통해 다른 사람들이 그의 결과를 높은 정확도로 확인했다. 지구의 움직임에 대한 둔감함과 부분적인 에테르 끌기 가설에 대한 불만을 입증한 Mascart의 실험 외에도 마이켈슨-몰리 실험 (1887)에서 또 다른 주요 문제가 발생했다. 굴절과 반사에 대한 광학적 실험이 지구의 움직임에 민감하지 않을 것이라는 Mascart의 주장은 이 후기 실험에서 입증되었다. 프레넬의 이론에서 에테르는 거의 고정되어 있고 지구는 에테르를 통해 움직이고 있으므로 실험은 부분적으로 감소했지만 긍정적인 결과를 제공해야 했다. 공기 매개체에 의한 완전한 에테르 끌림만이 무효가 된다. 그러나 이 실험의 결과는 0으로 보고되었다. 따라서 당시의 에테르 모델의 관점에서 볼 때 실험 상황은 모순적이었다. 한편으로는 빛의 수차, 피조 실험 및 1886년 마이켈슨과 몰리의 반복 실험은 약간의 에테르 끌기만을 지원하는 것으로 나타났다. 한편, 1887년의 마이켈슨-몰리 실험은 에테르가 지구에 대해 정지해 있다는 것을 증명하는 것처럼 보였고, 이는 분명히 완전한 에테르 끌기 아이디어를 뒷받침하는 것으로 보인다( 에테르 끌기 가설 참조). 따라서 피조의 결과를 설명하는 프레넬 가설의 성공은 이론적 위기로 이어지는데, 이는 상대론적 이론의 도입에 의해서만 해결되었다.

상대 운동의 광학 원리가 Mascart에 의해 공식화되었다는 점을 감안할 때, 누군가가 1880년경 움직이는 물체의 광학 상황에 의해 제시된 도전에 대한 이러한 운동학적 반응의 일부 또는 전부를 개발하도록 유도되었을 수 있다고 상상하는 것이 환상적입니까? 상대 운동의 전기역학적 원리가 이미 푸앵카레에 의해 공식화되었다는 점을 감안할 때, 움직이는 물체의 전기역학 상황에 의해 제시된 도전에 대한 아인슈타인의 운동학적 반응에 대한 1905년경의 개발은 실제로 일어난 일보다 더 환상적이지 않을 것입니다.

로렌츠의 해석

1892년에 헨드릭 로렌츠는 에테르가 완전히 고정되어 있는 프레넬 모델의 수정을 제안했다. 그는 움직이는 물과 끌리지 않은 에테르 사이의 상호 작용의 결과로 프레넬의 끌림 계수를 도출하는 데 성공했다. :25–30 그는 또한 한 참조 프레임에서 다른 참조 프레임으로의 전환이 로컬 시간이라고 하는 보조 시간 변수를 사용하여 단순화될 수 있음을 발견했다.

1895년에 로렌츠는 현지 시간의 개념을 기반으로 프레넬 계수를 보다 일반적으로 설명했다. 그러나 로렌츠의 이론은 프레넬의 이론과 동일한 근본적인 문제를 가지고 있었다. 고정된 에테르는 마이켈슨-몰리 실험과 모순되었다. 그래서 1892년에 로렌츠는 움직이는 물체가 운동 방향으로 수축한다고 제안했다( 조지 피츠제럴드가 이미 1889년에 이 결론에 도달했기 때문에 피츠제럴드-로렌츠 수축 가설이라 한다). 그가 이러한 효과를 설명하는 데 사용한 방정식은 1904년까지 그에 의해 더욱 발전되었다. 이것들은 이제 그를 기리기 위해 로렌츠 변환이라고 불리며, 아인슈타인이 나중에 제1원리에서 도출한 방정식과 형태가 동일한다. 그러나 아인슈타인의 방정식과 달리 로렌츠의 변환은 엄격하게 임시방편적이었고 유일한 정당성은 그것이 작동하는 것처럼 보였다는 것이다. :27–30

특수 상대성 이론의 유도

아인슈타인은 로렌츠 방정식이 두 개의 간단한 시작 공준 집합의 논리적 결과로 도출될 수 있는 방법을 보여주었다. 또한 아인슈타인은 정지 상태의 에테르 개념이 특수 상대성 이론에 설 자리가 없으며 로렌츠 변환이 공간과 시간의 본질과 관련이 있음을 인식했다. 움직이는 자석 및 도체 문제, 음의 에테르 드리프트 실험, 빛의 수차 와 함께 피조 실험은 상대성에 대한 아인슈타인의 생각을 형성한 핵심 실험 결과 중 하나였다. Robert S. Shankland는 아인슈타인과 나눈 몇 가지 대화에서 아인슈타인이 피조 실험의 중요성을 강조했다고 보고했다.

He continued to say the experimental results which had influenced him most were the observations of stellar aberration and Fizeau's measurements on the speed of light in moving water. "They were enough," he said.

막스 폰 라우에 (1907)는 프레넬 항력 계수가 속도 추가에 대한 상대론적 공식, 즉 [S 3] 의 자연스러운 결과로 쉽게 설명될 수 있음을 입증했다.

움직이지 않는 물에서 빛의 속도는 c/n 이다.
속도 구성 법칙 으로부터 물이 속도 v (빛과 같은 방향으로)로 흐르는 실험실에서 관찰되는 빛의 속도는 다음과 같다.
따라서 속도차이
이는 v/c ≪ 1 일 때 정확하며 조건 v/c ≪ 1 만족하는 피조의 측정에 기반한 공식과 일치한다.

따라서 피조의 실험은 아인슈타인의 속도 추가 공식의 동일 선상 사례에 대한 증거를 뒷받침한다.


앨버트 마이켈슨에드워드 몰리 (1886)는 피조의 원래 실험에 대한 몇 가지 우려 사항을 해결하면서 향상된 정확도로 피조의 실험을 반복했다. 즉 (1) 피조의 장치 중의 광학 부품의 변형에 의하여 인위적인 간섭무늬의 이동이 발생할 수 있다. (2) 가압된 물의 흐름이 짧은 시간 동안만 지속되었기 때문에 관찰이 급히 이뤄졌다. (3) 피조의 작은 직경 튜브를 통해 흐르는 물의 층류 프로파일은 중앙 부분만 사용할 수 있고 이는 간섭무늬가 희미하게 됨을 의미한다. (4) 피조의 튜브 직경에 걸친 유속 결정에는 불확실성이 있었다. 마이켈슨은 직경이 더 큰 튜브와 3분 동안 물이 안정적으로 흐르도록 하는 큰 저수지로 피조의 장치를 재설계했다. 그의 공통 경로 간섭계 설계는 경로 길이의 자동 보정을 제공하여 광학 요소가 정렬되자마자 백색광 줄무늬가 한 번에 표시되도록 했다. 위상학적으로 빛의 경로는 각 빛의 경로에서 짝수의 반사를 갖는 사냐크 간섭계의 경로였다. 이것은 광학 부품의 움직임에 전혀 영향을 받지 않는 극도로 안정적인 프린지를 제공했다. 안정성은 그가 유리판을 h 에 삽입하거나 심지어 프린지 시스템의 중심을 이동시키지 않고 빛의 경로에 불이 켜진 성냥을 들고 있는 것이 가능할 정도였다. 이 장치를 사용하여 마이켈슨과 몰리는 물뿐만 아니라 공기에서도 피조의 결과를 완전히 확인할 수 있었다.

같이 보기

참조

보조 출처

주요 자료
  1. Becker, Richard; Sauter, Fritz (1982년 1월 1일). 《Electromagnetic Fields and Interactions》 (영어). Courier Corporation. 308쪽. ISBN 978-0-486-64290-1. 2023년 3월 9일에 확인함. 
  2. Rohrlich, Fritz (1989년 8월 25일). 《From Paradox to Reality: Our Basic Concepts of the Physical World》 (영어). Cambridge University Press. 54쪽. ISBN 978-0-521-37605-1. 2023년 3월 9일에 확인함. 
  3. Rosser, W. G. V. (1992년 1월 6일). 《Introductory Special Relativity》 (영어). CRC Press. 113쪽. ISBN 978-0-85066-838-4. 2023년 3월 9일에 확인함. 


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