■ 특수 상대성 이론의 확립

일찍이 16 세 때 아인슈타인은 책에서 매우 빠른 전자기파라는 것을 알게 되었다. 그는 생각이 하나 있다. 만약 한 사람이 광속으로 운동한다면, 어떤 세계 장면을 볼 수 있을까요? 그는 앞으로 나아가는 빛을 보지 않고, 공간 진동에서 정체된 전자기장만 볼 수 있다. 이런 일이 일어날 수 있을까요?

이 점과 관련하여 그는 광파와 관련된 소위 이더넷 문제를 토론하고 싶어한다. 에테르라는 단어는 그리스에서 온 것으로, 하늘의 물체를 구성하는 기본 요소를 나타내는 데 사용된다. 17 세기에 데카르트는 처음으로 과학에 도입하여 빛을 전파하는 매체로 삼았다. 나중에 호이겐스는 광파를 운반하는 매체가 에테르이며 진공을 포함한 모든 공간으로 가득 차 일반 물질에 스며들어야 한다는 이더넷 이론을 한층 더 발전시켰다. 호이겐스의 관점과는 달리 뉴턴은 빛의 입자를 제시했다. 뉴턴은 발광체가 직선 운동의 입자 흐름을 방출하고, 입자 흐름이 망막에 미치는 영향이 시각을 만든다고 생각한다. 18 세기에 뉴턴이 성행하던 입자설이지만 19 세기에는 파동설이 성행하며 에테르의 이론이 크게 발전했다고 합니다. 당시의 견해는 파동의 전파가 매체에 의존한다는 것이다. 빛이 진공 속에서 전파될 수 있기 때문이다. 광파를 전파하는 매체는 전체 공간을 가득 채우는 에테르이며, 광태라고도 한다. 동시에 전자기학은 왕성하게 발전했다. 맥스웨, 헤르츠 등의 노력으로 성숙한 전자기 현상의 역학 이론, 즉 전기역학을 형성하여 이론과 실천에서 빛과 전자기 현상을 통일하고, 빛을 일정한 주파수 범위 내의 전자파로 간주하여 빛의 파동 이론과 전자기 이론을 통일하였다. 에테르는 광파의 전달체일 뿐만 아니라 전자기장의 전달체이기도 하다. 19 년 말까지 사람들은 에테르를 찾으려고 했지만 실험에서 에테르를 찾지 못했다.

하지만 전기역학은 뉴턴 역학이 따르는 상대성의 원리와 일치하지 않는 큰 문제를 겪었다. 상대성 이론의 원리는 갈릴레오와 뉴턴 시대에 이미 존재했다. 전자기학의 발전은 원래 뉴턴 역학의 틀 안에 포함되어 있었지만 움직이는 물체의 전자기 과정을 해석하는 데 어려움을 겪었다. 맥스웰 이론에 따르면, 진공에서 전자파의 속도, 즉 광속은 상수이다. 하지만 뉴턴 역학의 속도 가산 원리에 따르면 관성계마다 빛의 속도가 다르기 때문에 역학에 적용되는 상대성의 원리가 전자기학에 적용되는지 의문이 제기된다. 예를 들어 차 두 대가 있는데, 하나는 너에게 접근하고, 하나는 떠나고 있다. 너는 앞차의 등불이 너에게 접근하는 것을 보고, 뒷차의 등불은 먼 곳에 있다. 맥스웰 이론에 따르면, 이 두 빛의 속도는 동일하며, 자동차의 속도는 그 안에서 작동하지 않는다. 그러나 갈릴레오의 이론에 따르면 이 두 항목의 측정 결과는 다르다. 당신을 향한 차는 빛의 속도를 가속화합니다. 즉, 앞차의 광속 = 광속+속도; 빛이 자동차를 떠나는 속도가 더 느리다. 왜냐하면 차 뒤의 광속은 광속-광속이기 때문이다. 맥스웰과 갈릴레오의 속도에 대한 주장은 명백히 반대이다. 우리는 어떻게 이 불일치를 해결할 수 있습니까?

이론물리학은 19 세기에 절정에 이르렀지만, 거대한 위기를 내포하고 있다. 해왕성의 발견은 뉴턴 역학과 비교할 수 없는 이론적 힘을 보여준다. 전자기학과 역학의 통일은 물리학이 형식상의 정체성을 드러내게 하며' 장엄하고 웅장한 건축체계와 감동적인 아름다운 전당' 으로 불린다. 사람들의 마음속에서 고전 물리학은 이미 거의 완벽에 가까운 지경에 이르렀다. 독일의 저명한 물리학자 플랑크는 젊었을 때 선생님에게 이론 물리학에 투신해야 한다고 말했다. 선생님은 그에게 이렇게 권했다. "젊은이, 물리학은 이미 완성한 과학이라 더 이상 발전할 수 없을 것이다. 그의 일생을 이 학과에 바치는 것은 참으로 안타까운 일이다. "

아인슈타인은 새로운 물리적 건물을 지을 사람인 것 같다. 아인슈타인은 베른 특허청에 있는 동안 물리학의 최전선 역학에 광범위하게 관심을 기울여 많은 문제에 대해 깊이 생각하고 자신의 독특한 관점을 형성했다. (윌리엄 셰익스피어, 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언) 10 년간의 탐사 과정에서 아인슈타인은 맥스웰의 전자기 이론, 특히 헤르츠와 로렌즈가 개발하고 서술한 전기 역학을 진지하게 배웠다. 아인슈타인은 전자기 이론이 완전히 정확하다고 굳게 믿었지만, 한 가지 문제가 그를 불안하게 했다. 바로 절대 참조계 에테르의 존재였다. 그는 많은 책을 읽고 에테르의 존재를 증명하는 모든 실험이 실패했다는 것을 발견했다. 아인슈타인의 연구 결과, 에테르는 로렌츠 이론에서 절대 참고계와 전자기장으로서의 부하를 제외하고는 실제적인 의미가 없다는 것을 발견했다. 그래서 그는 "절대적인 참고체계가 필요한가?" 라고 생각했습니다. 전자기장을 꼭 로드해야 합니까?

아인슈타인은 철학 저작을 읽고 철학에서 사상 영양을 흡수하는 것을 좋아한다. 그는 세계의 통일성과 논리의 일관성을 믿는다. 상대성의 원리는 역학에서는 이미 광범위하게 증명되었지만, 전기역학에서는 성립할 수 없다. 아인슈타인은 물리학의 두 이론 체계 사이의 논리적 불일치에 대해 의문을 제기했다. 그는 상대성의 원리가 보편적으로 성립되어야 한다고 생각하기 때문에 각 관성계에 대해 전자기 이론은 같은 형태를 가져야 하지만, 여기에 광속 문제가 나타났다. 광속이 일정한지 가변적인지 상대성 이론의 원리가 보편적으로 성립되는지의 첫 번째 문제가 되었다. 당시 물리학자들은 일반적으로 에테르, 즉 뉴턴의 절대 공간 개념의 영향을 받는 절대적인 참조 시스템이 있다고 믿었다. 19 말 마하는' 발전중인 역학' 에서 뉴턴의 절대 시공관을 비판해 아인슈타인에게 깊은 인상을 남겼다. 1905 년 5 월 어느 날 아인슈타인과 한 친구 베조는 10 년 동안 탐구한 이 문제를 토론했다. 베조는 마하주의의 관점에 근거하여 그의 관점을 천명했고, 그들은 이것에 대해 오랫동안 토론했다. 갑자기 아인슈타인은 무언가를 깨닫고 집에 가서 반복해서 생각하다가 마침내 깨달았다. 다음날, 그는 또 베조의 집에 와서, "감사합니다. 제 문제가 해결되었습니다." 라고 말했습니다. 아인슈타인은 한 가지를 분명히 생각했다: 시간은 절대적인 정의가 없고, 시간과 광신호의 속도는 불가분의 관계가 있다. 그는 이 자물쇠의 열쇠를 찾았고, 5 주간의 노력 끝에 아인슈타인은 사람들에게 좁은 상대성 이론을 보여 주었다.

1905 년 6 월 30 일' 독일 물리학 연감' 은 아인슈타인의 논문' 운동물체의 전기역학' 을 받아 같은 해 9 월 발표했다. 이 글은 협의상대성론에 관한 첫 번째 문장, 협의상대성론의 기본 사상과 내용을 담고 있다. 좁은 상대성론은 상대성의 원리와 빛의 속도의 불변의 원리라는 두 가지 원리에 기반을 두고 있다. 아인슈타인의 문제 해결의 출발점은 상대성론의 원리를 굳게 믿는 것이다. 갈릴레오는 먼저 상대성의 원리에 대한 사상을 설명했지만, 그는 시간과 공간에 대한 명확한 정의를 내리지 않았다. 뉴턴은 역학 체계를 세울 때도 상대성 이론을 말했지만, 그는 절대 공간, 절대 시간, 절대 운동을 정의했다. 그는 이 문제에 있어서 자기 모순이다. 아인슈타인은 상대성 이론의 원리를 크게 발전시켰다. 그가 보기에 절대적으로 정지된 공간도 없고 절대 변하지 않는 시간도 없다. 모든 시간과 공간은 움직이는 물체와 연결되어 있다. 모든 참조 시스템 및 좌표계에 대해 이 참조 시스템 및 좌표계에 속하는 공간 및 시간만 있습니다. 모든 관성계에 있어서, 참조 시스템의 공간과 시간에 의해 표현되는 물리적 법칙은 형식적으로 동일하다. 이것이 바로 상대성의 원리이고, 엄밀히 말하면 좁은 상대성의 원리이다. 이 문장 속에서 아인슈타인은 광속 불변을 기본 원리로 하는 기초에 대해 너무 많은 논술을 하지 않았다. 그는 빛의 속도가 변하지 않는 것은 과감한 가정이며, 전자기 이론과 상대성론 원리의 요구에서 제기된 것이다. 이 문장 은 아인슈타인이 에테르와 전기역학에 대해 여러 해 동안 생각한 결과이다. 그는 또한 상대성 이론의 관점에서 새로운 시공간 이론을 세웠고, 이 새로운 시공간 이론을 바탕으로 움직이는 물체의 전기 역학의 완전한 형태를 제시했다. 이더넷은 더 이상 필요하지 않으며 이더넷 드리프트는 존재하지 않습니다.

동시의 상대성은 무엇입니까? 두 곳의 사건이 동시에 발생했다는 것을 어떻게 알 수 있습니까? 일반적으로 우리는 신호를 통해 확인할 것이다. 다른 지역 사건의 동시성을 알기 위해서는 신호 전송 속도를 알아야 하는데, 왜 우리가 이 속도를 얻지 못했을까요? 우리는 두 곳 사이의 공간 거리와 신호 전송에 필요한 시간을 측정해야 한다. 공간 거리 측정은 간단하지만 문제는 시간을 측정하는 것이다. 우리는 각 장소에 이미 조준된 시계가 있다고 가정해야 한다. 두 시계의 판독에서 신호의 전파 시간을 알 수 있다. 하지만 다른 곳의 시계가 옳다는 것을 어떻게 알 수 있을까요? 대답은 또 다른 신호가 필요하다는 것이다. 이 신호가 시계를 정확하게 맞출 수 있습니까? 이전의 사고방식에 따라 새로운 신호가 필요하기 때문에 무한히 후퇴할 것이며, 오프사이트 동시성은 확인할 수 없다. 그러나 한 가지는 명확하다. 동시성은 하나의 신호와 연관되어야 한다. 그렇지 않으면 이 두 가지 일이 동시에 일어난다는 것은 의미가 없다.

광신호는 시계에 가장 적합한 신호일 수 있지만 빛의 속도는 무한하지 않아 정지된 관찰자에게 두 가지 일이 동시에 일어나는 것은 운동하는 관찰자에게는 동시에 일어나지 않는다는 새로운 결론을 내린다. 빛의 속도에 가까운 고속열차를 상상해 봅시다. 열차가 플랫폼을 통과하자 A 는 승강장에 서 있었고 A 앞에는 두 개의 번개가 있었고, 하나는 열차의 앞부분에, 다른 하나는 뒷쪽에 있었고, 열차의 양쪽 끝과 승강장의 해당 부분에 흔적이 남았다. 측정을 통해 A 와 열차의 양단 거리는 같으나 A 가 동시에 두 개의 번개를 보았다고 결론 내렸다. 따라서 A 의 경우, 수신된 두 개의 광신호는 같은 시간 간격 동안 같은 거리를 전파하면서 동시에 그의 위치에 도달합니다. 이 두 가지 일은 반드시 동시에 발생해야 하고 동시에 발생해야 한다. 하지만 열차 중앙에 있는 B 의 경우 상황이 달라졌다. B 는 고속열차와 함께 움직이기 때문에 먼저 전파된 프런트 엔드 신호를 차단한 다음 백 엔드의 광신호를 받을 것이다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) B 에게 이 두 사건은 동시에 다르다. 즉 동시성은 절대적인 것이 아니라 관찰자의 운동 상태에 달려 있다는 것이다. 이 결론은 뉴턴 역학에 기반한 절대 시간과 절대 공간의 틀을 부정한다.

상대성 이론은 빛의 속도가 모든 관성 참조 시스템에서 일정하며 물체가 움직이는 최대 속도라고 생각한다. 상대성론 효과로 인해 움직이는 물체의 길이가 짧아지고 움직이는 물체의 시간이 팽창한다. 그러나 일상생활에서 겪는 문제로 운동 속도가 매우 낮아 (광속에 비해) 상대성론 효과를 볼 수 없다.

아인슈타인은 시공관을 철저히 바꿔 상대성 역학을 확립해 속도가 증가함에 따라 질량이 증가하고 속도가 광속에 가까워질 때 질량이 무한대가 되는 경향이 있다고 지적했다. 그는 또한 E=mc2 라는 유명한 질능관계를 제시했고, 이후 원자력의 발전에 지도적 역할을 했다.