1905년의 기적

1905년, 아인슈타인은 과학사에 유례없는 기적을 일으켰습니다. 그는 올해 3월부터 9월까지 6개월 동안 특허청에서 하루 8시간 일한 뒤 여가 시간을 활용해 3개 분야에서 4편의 획기적인 공헌을 했다. 빛의 양자 이론, 분자 크기 결정, 브라운 운동 이론 및 특수 상대성 이론.

1905년 3월, 아인슈타인은 자신이 옳다고 생각하는 논문을 독일의 "물리학 연보" 편집실에 보냈습니다. 그는 수줍게 편집자에게 이렇게 말했습니다: "당신이 나를 위해 이 논문을 출판할 수 있는 공간을 귀하의 연례 보고서에 찾아주시면 매우 기쁠 것입니다." 그리고 변화”.

본 논문은 1900년 플랑크가 제안한 양자 개념을 공간에서의 빛의 전파로 확장하여 빛양자 가설을 제안한다. 시간 평균의 경우 빛은 변동으로 동작하고, 순간 값의 경우 빛은 입자로 동작합니다. 미세한 물체의 파동성과 입자성의 통일성, 즉 파동-입자 이중성이 밝혀진 것은 역사상 처음이다.

이 글 말미에는 고전물리학으로는 설명할 수 없는 광전 효과를 빛양자 개념을 이용해 쉽게 설명하고, 광전자의 최대 에너지와 입사 주파수의 관계를 추론했다. 빛. 이 관계는 10년 후 Millikan에 의해 실험적으로 확인되었습니다. 1921년에 아인슈타인은 "광전 효과의 법칙 발견"으로 노벨 물리학상을 수상했습니다.

이것은 시작에 불과했습니다. 알베르트 아인슈타인은 빛, 열, 전기 물리학의 세 분야에서 손을 잡고 발전하고 있었고 그는 통제 불능 상태였습니다. 1905년 4월에 아인슈타인은 "분자의 크기를 결정하는 새로운 방법"을 완성했고, 5월에는 "열의 분자 운동 이론에 필요한 정수성 액체 내 부유 입자의 이동"을 완성했습니다. 브라운 운동 연구에 관한 두 편의 논문입니다. 당시 아인슈타인의 목적은 분자 운동의 요동 현상에 의해 발생하는 부유 입자의 불규칙 운동을 관찰하여 분자의 실제 크기를 결정하고, 오랫동안 과학계와 철학계에서 논의되어 온 원자 문제를 해결하는 것이었습니다. 반세기. 문제가 있습니까?

3년 후, 프랑스 물리학자 페랭은 정교한 실험을 통해 아인슈타인의 이론적 예측을 확인했습니다. 이는 원자론에 가장 확고한 반대자이자 에너지론의 창시자인 독일의 화학자 오스트발트(Ostwald)가 1908년에 적극적으로 다음과 같이 선언하게 했습니다. "원자 가설은 근본적이고 확고한 과학적 기초가 되었습니다." 이론".

1905년 6월, 아인슈타인은 물리학의 새로운 시대를 연 장문의 논문 '움직이는 물체의 전기역학'을 완성하고 특수 상대성 이론을 본격적으로 제안했습니다. 이는 아인슈타인이 10년간의 양조와 탐구의 결과로, 19세기 말에 등장한 고전물리학의 위기를 크게 해결하고, 뉴턴 역학의 공간과 시간의 개념을 바꾸며, 물질과 에너지의 동등성을 밝혀냈다. , 그리고 물리학의 새로운 세계를 창조한 것은 현대 물리학 분야의 가장 큰 혁명입니다.

특수 상대성 이론은 고전 물리학이 설명할 수 있는 모든 현상을 설명할 수 있을 뿐만 아니라 고전 물리학이 설명할 수 없는 일부 물리적 현상도 설명하고 많은 새로운 효과를 예측합니다. 특수 상대성 이론의 가장 중요한 결론은 질량 보존 원리가 에너지 보존 법칙과 통합된다는 것입니다. 다른 것에는 더 일반적으로 언급되는 시계 속도 저하, 빛의 속도가 변하지 않고 유지되는 것, 나머지 광자의 질량이 0인 것 등이 포함됩니다. 고전역학은 저속으로 움직일 때 상대론적 역학의 제한적인 사례가 되었습니다. 이런 식으로 역학과 전자기학은 운동학을 기반으로 통일됩니다.

1905년 9월, 아인슈타인은 "물체의 관성은 그것이 포함하는 에너지와 관련이 있는가?"라는 짧은 글을 썼습니다. "라는 상대성이론의 결과이다. 질량에너지 등가성은 핵물리학과 입자물리학의 이론적 기초이자, 1940년대에 실현된 원자력의 방출과 활용의 길을 열었습니다.

6개월이라는 짧은 기간 동안 아인슈타인의 과학 분야 획기적인 성취는 '획기적이고 전례가 없는 것'이라고 할 수 있다.

설사 물리학을 포기했더라도, 위의 세 가지 업적 중 하나만 완성했더라도 아인슈타인은 물리학 발전사에 매우 중요한 족적을 남겼을 것입니다. 아인슈타인은 '물리학의 맑은 하늘에 떠 있는 먹구름'을 걷어내고 물리학의 더 영광스러운 새 시대를 열었습니다.

일반 상대성 이론의 탐구

특수 상대성 이론이 정립된 ​​후에도 아인슈타인은 만족하지 않고 상대성 원리의 적용 범위를 비과학으로 확장하려고 노력했다. -관성 시스템. 그는 중력장에 있는 모든 물체는 갈릴레오가 발견한 것과 동일한 가속도를 갖는다는 고대의 실험적 사실에서 돌파구를 찾았고, 1907년에 등가 원리를 제안했습니다. 올해 그의 대학 교사이자 유명한 기하학자인 Minkovsky는 특수 상대성 이론의 4차원 공간 표현을 제안했는데, 이는 상대성 이론의 발전을 위한 유용한 수학적 도구를 제공했지만 불행하게도 아인슈타인은 그 가치를 깨닫지 못했습니다. 시간.

아인슈타인은 등가원리의 발견을 자신의 인생에서 가장 즐거운 생각으로 여겼지만, 그 이후의 작업은 매우 어려웠고 많은 우회를 필요로 했습니다. 1911년에 그는 강체 회전 디스크를 분석하고 유클리드 기하학이 중력장에서는 엄격히 유효하지 않다는 것을 깨달았습니다. 동시에 로렌츠 변화는 보편적이지 않으며 등가 원리는 무한히 작은 영역에만 유효하다는 것도 발견되었습니다... 이때 아인슈타인은 이미 일반상대성이론에 대한 아이디어를 갖고 있었지만, 이를 확립하는 데 필요한 수학적 기초가 여전히 부족했습니다.

1912년 아인슈타인은 취리히에 있는 모교로 직장으로 돌아왔습니다. 동급생이자 모교 수학 교수인 그로스만(Grossmann)의 도움으로 그는 리만 기하학과 텐서 분석에서 일반 상대성 이론을 확립하는 수학적 도구를 발견했습니다. 1년간의 긴밀한 협력 끝에 그들은 1913년에 중력장 이론을 제안하는 중요한 논문 "일반 상대성이론 및 중력 이론 개요"를 출판했습니다. 리만 기하학에 실제 물리적 의미를 부여하기 위해 중력과 측정법이 결합된 것은 이번이 처음입니다.

그러나 당시 그들이 얻은 중력장 방정식은 선형변환에 대한 공분산일 뿐, 일반상대성이론이 요구하는 어떤 좌표변환 하에서도 아직 공분산을 갖지 못했다. 이는 아인슈타인이 당시 텐서 연산에 익숙하지 않아 보존 법칙을 고수하는 한 좌표계 선택을 제한해야 인과 관계를 유지해야 한다고 잘못 믿었기 때문입니다. 보편적 공분산의 요구 사항.