앨버트 마이컬슨 (Albert Abraham Michelson)과 에드워드 몰리 (Edward Morley)는 1887年, 現在의 케이스 웨스턴 리저브 大學校 (Case Western Reserve University)에서 物理學 의 歷史上 가장 重要한 實驗 中 하나인 마이컬슨-몰리 實驗 을 하였다. 이 實驗의 結果는 光學的 에테르 理論 을 否定하는 最初의 有力한 證據가 되었다. 이 實驗은 또한 두 番째 科學 革命 (Second Scientific Revolution)의 理論的 觀點의 始發點 이라고 불리기도 한다. ^[1] 앨버트 마이컬슨은 이 實驗으로 1907年에 노벨 物理學賞 을 授與 받았다.

에테르 測定하기 [ 編輯 ]

19世紀의 物理學에서는, 水面波 또는 音波 等이 進行하기 위해서는 媒介物(물,空氣)李 必要하듯, 빛이 進行하기 위해서도 " 光學 에테르 "라는 媒介物이 必要하다고 假定하였다. 빛은 眞空狀態의 空間을 통해 進行할 수 있으므로, 眞空狀態에는 빛의 媒介物이 包含되어 있다고 생각하였다. 빛의 速度 가 너무 커서, 에테르 의 存在與否와 그 性質을 알아내기 위한 實驗을 設計하기 위해서는 相當한 精巧함이 要求되었다.

地球 는 太陽 周圍의 軌道를 따라 30km/s의 速力으로 移動한다. 太陽 또한 우리 銀河 의 重心 周圍를 그보다 더 빠른 速度로 移動하고 있다. 따라서, 地球의 公轉 運動에 依해, 地球를 가로지르는 에테르 의 흐름은 "에테르 바람"을 形成할 것이라고 생각하였다. 勿論 理論的으로는 一時的으로 地球의 움직임과 에테르의 흐름이 一致할 수 있지만, 地球는 方向과 速力이 隨時로 變化하는 運動을 하고 있으므로, 모든 時間에서 地球는 에테르의 흐름에 相對的으로 停止해 있을 수는 없다.

地球 表面의 어느 地點에서나, 바람의 크기와 方向은 하루의 時間帶와 季節에 따라 變한다. 따라서, 여러 時間帶에서 여러 方向에서 反射되어 돌아오는 빛의 速度를 測定하여, 에테르에 對한 地球의 相對的인 運動을 分析할 수 있다고 생각하였다.

地球가 公轉軌道를 빛의 速度의 10,000分의 1의 速力으로 運動하므로, 測定된 빛의 速力의 車는 꽤 작을 것으로 豫想되었다. 1800年 臺 中盤에 一部 物理學者들이 빛의 速度 差를 測定하려고 試圖하였지만, 이 작은 物理量을 測定하기에 要求되는 精巧함을 가진 實驗 裝置가 없었다. 例를 들어 피조-푸코(Fizeau-Foucault) 裝置는 빛의 速力을 5%의 誤差範圍 內에서 測定할 수 있지만, 이는 에테르 바람을 測定하기에는 正確度가 많이 不足하였다.

實驗 [ 編輯 ]

마이컬슨은 에테르 바람을 測定할 수 있을 程度로 精巧한 實驗裝置를 製作하였다. 追後 干涉計 (interferometer)라고 알려진 그의 裝置는 白色光의 單一 鑛員을 半透明 거울(half-silvered mirror)을 통해 直角으로 나누어 두 個의 光線으로 만든다. 이 나눔界(splitter)를 지나고 나면, 光線은 길게 뻗은 팔(arm)을 지나 그 끝에 裝着된 거울을 통해 다시 中間地點으로 反射되어 온다. 中間으로 反射된 파는 나눔界(splitter)를 통해 다시 結合이 되어 빛이 各 팔(arm)에서 移動한 時間差에 따라 補强 또는 相殺 干涉 무늬가 일어난다. 微細한 時間差에 依해서도 干涉무늬의 주름(interference fringe)의 位置가 變化한다. 萬若 에테르가 太陽에 相對的으로 停止해 있다면, 地球의 運動은 干涉무늬 주름 한 個의 1/25倍 크기만큼의 干涉무늬의 變化를 일으킬 것이다.

1881年 마이컬슨이 獨逸에서 상기 實驗 裝置를 利用하여 干涉무늬의 變化 값을 測定하였지만, 干涉무늬의 變化가 期待 값인 0.04값(干涉무늬 한 個의 0.04크기되는 만큼의 變化) 보다 작은 0.02 값을 얻었다. ^[2] 그러나 그의 草創期 實驗裝置는 에테르 바람의 存在에 對해 確信을 갖고 말하기에는 實驗的 誤差가 너무 컸다. 에테르 바람을 測定하기 위해서는 보다 正確하고 精巧하게 統制된 實驗이 必要하였다.

그 後 그는 에드워드 몰리와 合作하여, 에테르 바람에 依한 干涉무늬의 變化를 測定할 수 있을 程度로 精巧한 實驗裝置를 製作하였다. ^[3] 그들의 實驗에서는 光線이 긴 팔(arm)을 앞 뒤로 反射하여 여러 番 往復하게 設計되어 總 經路가 11m가 되도록 하였다. 光線이 11m를 移動하면 理論的으로 干涉무늬의 變化가 주름 한 個의 0.4倍의 크기만큼 나타나야 한다. 이를 보다 쉽고 正確히 測定하기 위해서, 實驗은 熱과 振動의 效果를 最少化할 수 있는 甓돌로 된 빌딩 地下의 閉鎖된 房에서 이루어졌다. 그리고 보다 振動에 依한 誤差를 줄이기 위해 水銀으로 채운 浴槽에 大理石을 띄워 그 위에 實驗裝置를 設置하였다. 이 裝置는 干涉무늬 한 個의 주름의 1/100倍 크기의 變化를 測定할 수 있을 程度로 精巧하였다.

輸銀 浴槽에 依해 實驗裝置가 回轉할 수 있어, 모든 角度에서 에테르 바람의 測定이 可能하였다. 짧은 測定 時間에도, 實驗裝置를 회전시킴으로 因해 實驗誤差 原因을 發見할 수 있다. 또한 보다 긴 낮과 밤의 사이클과 年間 사이클에 依한 影響도 쉽게 測定할 수 있다.

實驗 裝置가 한 바퀴를 도는 동안, 實驗裝置의 두 個의 팔(arm)은 各各 에테르 바람과 平行하게 두 番, 直角으로 두 番 羅列되게 된다. 이에 依해 結果는 두 個의 最高값과 두 個의 最低값을 갖는 사인파 形態로 나타난다. 追加的으로 에테르 바람이 地球 自轉運動에서만 發生한다면, 바람은 12時間의 週期로 그 方向이 東쪽에서 西쪽으로 바뀔 것이다. 이러한 理想的인 槪念化에서는 사인파 가 낮과 밤으로 서로 反對되는 位相을 가질 것이다.

地球의 公轉 運動이 에테르 바람에 追加的인 成分을 提供할 것이므로, 에테르 바람의 크기 變化가 1年 單位의 週期를 가지고 일어날 것이라고 豫測하였다. 앞으로 날아가는 헬리콥터가 이러한 例가 될 수 있다. 헬리콥터가 空中에 제자리에 떠 있을 때는 헬리콥터 날개의 끝 部分이 300 km/h의 速力으로 回轉한다. 그러나 萬若 헬리콥터가 150 km/h의 速力으로 앞으로 날아가고 있다면, 回轉 날개의 끝部分이 空氣를 150 km/h의 速力으로 通過하는 곳이 있고(아래방향 바람) 450 km/h의 速力으로 通過하는 곳이 있다(윗방향 바람). 이와 同一한 效果로 에테르 바람의 크기는 1年을 週期로 增加했다 減少했다 할 것이다.

失敗한 것으로 有名한 實驗 [ 編輯 ]

이 實驗은 많은 생각과 準備에도 不拘하고 現在까지 알려진 가장 有名한 失敗한 實驗으로 불린다. 마이컬슨과 몰리는 美國 科學 學會誌에 에테르의 屬性에 對한 內容 代身에 實驗에 依한 測定값이 작게는 變位(displacement)의 期待값의 1/40倍라는 內容을 실었다. 그러나 變位(displacement)는 速度의 제곱에 比例하므로, 測定된 速度는 地球의 公轉速度의 期待값의 1/4倍 보다 작은 1/6倍의 값이라고 結論을 내렸다. 하지만 이러한 작은 速度의 값은 에테르의 存在에 對한 證據로 쓰기에 너무 작은 값이었고, 追後 이 結果는 實驗的 誤差 範圍內人 것으로 밝혀졌다.

비록 1887年의 論文以後로, 各各 다른 實驗을 始作하였지만, 두 사람 모두 이 分野에 如前히 硏究를 繼續하였다. 以後 훨씬 精巧한 裝置에 依해 同一한 實驗이 反復되었다. 케네디(Kennedy)와 일링워스(Illingworth)는 거울을 改善하여 반파장 段階(half-wave step)를 包含시킴으로써 實驗裝置 內部에 定常波 패턴 形態가 나타날 可能性을 排除시켰다. 일링워스의 實驗裝置는 大略 干涉무늬 주름 한 個의 1/300倍 되는 크기의 變化를 測定할 수 있었고, 케네디(Kennedy)의 實驗裝置는 干涉무늬 주름 한 個의 1/5000倍 크기의 變化를 測定할 수 있을 程度로 精巧하였다. 나중에 밀러(Miller)는 磁氣場으로부터 影響이 없는 反磁性體的인 實驗裝置를 製作하였고, 마이컬슨은 溫度變化에 影響이 없도록 實驗 裝置를 膨脹하지 않는 鋼鐵과 니켈의 合金으로 製作하였다. 이들 以外에도 世界의 여러 科學者들이 보다 精巧하고 副作用이 없는 實驗 裝置를 製作하였다.

몰리는 自身의 實驗結果를 納得하지 못하여, 데이톤 밀러(Dayton Miller)와 追加的인 實驗을 進行하였다. 밀러(Miller)는 윌슨 山 天文臺 (Mount Wilson observatory)에 32m 길이의 干涉計를 設置하여 큰 規模의 實驗을 實施하였다. 그는 에테르 바람이 단단한 壁에 依해 遮斷되는 것을 防止하기 爲해, 캔버스로 만든 얇은 壁으로 된 倉庫에서 實驗을 하였다. 그는 實驗 裝置를 한 番 회전시킬 때마다 變化하는 작은 明確한 效果(positive effect)들을 測定할 수 있었다. 그의 測定값은 地球의 公轉運動 自體에 依한 期待값人 ~30 km/s 보다 훨씬 작은 ~10 km였다. 그는 이러한 結果가 部分的인 同伴履行(entrainment)에 依한 것이라고 믿었으나, 具體的으로 說明하지는 않았다.

비록 케네디가 나중에 윌슨 山 天文臺에서 實驗을 통해 밀러의 結果보다 1/10倍인 變化(drift)값을 얻었으나, 그 當時에는 밀러(Miller)의 發見이 重要하게 여겨졌고, 1928年에 開催된 學會에서 이 內容이 發表되었고 마이컬슨과 로런츠 等은 이에 對해 討論하기도 하였다. 一般的인 意見은 밀러의 結果를 信賴하기 爲해서는 結果를 뒷받침 할 수 있는 더 많은 實驗이 實行되어야한다는 것이었다. 로렌츠는 밀러의 實驗結果의 原因이 무엇이 됐건 自身의 또는 아인슈타인 의 特殊相對性理論 어느 것과도 一致하지 않았다는 것을 알았다. 아인슈타인은 그 當時 學會에 參席하지 않았지만, 그는 그 結果가 實驗的 誤謬에 依한 것이라고 여겨도 될 것이라고 結論 내렸다. 오늘날까지도, 누구도 밀러의 結果를 다시 再現한 사람은 없으며, 現代 實驗裝置들의 正確性은 밀러의 結論을 無視할 수 있을 程度이다.

近來에는 마이컬슨-몰리 實驗이 매우 흔한 實驗이 되어 버렸다. 레이저 와 메이저 는 잘 調律된 共同(cavity) 속에서 빛이 繼續 앞뒤로 움직임으로 인해, 높은 에너지의 原子를 만들어 强한 빛이 나갈 수 있게 增幅시킨다. 따라서 빛은 킬로미터 單位의 距離를 움직이게 된다. 하나의 瞳孔에서 나온 빛은 直角으로 設置된 다른 共同(cavity)에 同一한 段階를 反復하게 할 수 있어, 매우 正確度가 높은 干涉計를 製作할 수 있다.

이러한 實驗은 메이저의 發明者中 하나인 찰스 타운스(Charles H Townes)에 依해 처음 實行되었다. 그의 1958年 實驗은 30 m/s 內의 誤差範圍를 가졌고, 1974年에 레이저로 反復된 實驗은 이 數値를 0.025 m/s 로 낮췄다. 1979年에는 誤差範圍가 0.000001 m/s까지 낮아졌다.

마이컬슨-몰리 實驗 以後 [ 編輯 ]

이러한 結果는 빛의 波動이 停止된 에테르 속에서 進行한다는 그 當時 理論으로는 說明할 수 없는 놀라운 結果였다. 이러한 意外의 結果를 說明하기 위해, 實驗自體에 드러나지 않은 缺陷이 있었다는 主張이 있었고(마이컬슨이 이렇게 생각하였다) 또한 地球의 重力場이 에테르를 어떠한 方法으로 움직여서 에테르에 依한 效果를 除去하였다는 主張도 있었다. 밀러는 自身의 實驗 外에는 實驗이 實驗室안에서, 卽 實驗室의 壁 또는 實驗裝置에 依해 에테르 바람이 遮斷된 狀態에서 行해져서 이를 發見할 수 없었다고 主張하였다. 이렇게 첫 番째 假說(First Postulate)로 알려진 에테르에 對한 아이디어는 致命的인 打擊을 입었다.

에테르의 끌림(dragging) 現象 또는 움직임을 調査해보기 위해 몇 가지 實驗이 行해졌다. 해머(Hammer,1935)는 干涉計 팔의 한쪽을 큰 두個의 납 블록으로 兩쪽을 감싸게 設計하였다. 萬若 에테르 바람의 끌림 現象(dragging)李 質量에 依해 나타난다면, 납 블록의 質量은 에테르 바람의 끌림 現象에 依한 視覺的 效果를 일으키기에 充分히 컸으나 實驗結果 아무런 效果도 나타나지 않았다.

walter‘s emitter 理論(ballistic 理論)은 에테르의 存在를 必要로 하지 않는 理論으로, 상기 實驗의 結果들과 一致하고 보다 直觀的이고 矛盾的이지 않았다. 그의 理論은 두 番째 家庭 (Second Postulate)으로 알려지게 되었다. 그러나 이 理論에 依하면, 軟性(binary stars)에서 나온 빛을 干涉計에 依해 測定할 時 몇 가지 明白한 光學的 效果를 가져야 하나, 實際로는 이러한 效果가 나타나지 않았다. 萬若 두 番째 家庭(Second Postulate)李 참이라면, 빛의 速度에 별의 移動速度가 더해져서 干涉무늬 주름(fringe)의 模樣變化가 일어나야 하는데, 實際로는 이러한 效果는 觀察되지 않았다.

Sagnac 實驗은 實驗 裝置를 일정한 速度로 回轉하는 테이블위에 놓아 빛의 軌道가 領域을 包含하도록 改善하였다. 이 實驗은 빛이 實驗裝置의 한쪽方向으로 도는 境遇와 그 反對 方向으로 도는 境遇에 移動距離의 差異가 있으므로, Ritz의 ballistic 理論 等이 成立하는지 直接的으로 試驗해 볼 수 있다. Ritz의 理論에 따르면 鑛員과 探知機(detector)사이의 알짜 速度(net velocity)는 0이기 때문에 干涉무늬 주름의 變化가 나타나지 않는다고 하였다. 그러나 實驗에 依해 干涉무늬 주름의 變化가 나타났고 그로인해 ballistic 理論은 抛棄되었다. 오늘날에는 이 주름-便이 現象(fringe-shift effect)李 레이저 자이로스코프에 使用된다.

주름-便이 現象(fringe-shift effect)은 로런츠-피츠제럴드 收縮(Lorentz?FitzGerald contraction) 또는 길이 收縮이라고 불리는 理論에 依해 說明된다. 이 物理 法則에 따르면, 움직이는 모든 物體는 길이 收縮을 한다고 한다. 따라서 빛이 한쪽 팔에서 더 느린 速度로 運動을 하더라도, 同時에 빛이 移動하는 팔의 길이가 收縮하여 想起效果(時間膨脹效果)를 無效化 시킨다. 1932年 Kennedy-Thorndike 實驗에서는 마이컬슨-몰리 實驗裝置의 한 쪽 팔을 다른 팔보다 더 짧게 하여 splitter에 依해 나뉜 빛이 各各 移動하는 거리를 다르게 하였다. 이 境遇에 時間膨脹이 일어나지 않는다면, 地球의 移動速度의 變化에 依해 干涉무늬 주름(fringe)의 模樣變化(shift)가 일어나야 한다. 그러나 이番에도 아무런 變化가 없었고, 이는 相對性理論의 核心인 길이 收縮과 時間 膨脹 理論을 證明해주는 結果였다.

에른스트 마하 는 상기 實驗 結果들이 에테르의 不存在를 證明하는 것이라고 처음으로 主張한 學者 中 한 名이었다. 아인슈타인은 相對性理論 假說로부터 로런츠-피츠제럴드 收縮을 誘導해냈다. 그러므로 그의 特殊相對性理論은 상기 實驗의 結果(干涉무늬 주름의 變化가 없는 結果)와 一貫되는 것이었다. 오늘날에는 特殊相對性理論이 마이컬슨 몰리 實驗의 干涉무늬의 變化가 일어나지 않는 結果에 對한 解答으로 여겨지고 있다. 그러나 그 當時에는 이러한 點이 널리 받아 들여지지 않았다. 늦게는 1920年代까지 甚至於 아인슈타인 自身도 에테르에 對해 '무게를 잴 수 없는 매질이 아닌 實體를 지닌 무엇' 이라고 말하기도 하였다.

Trouton-Noble 實驗은 마이컬슨-몰리의 光學的 實驗에 對應되는 靜電氣學的 實驗이었다. 그러나 이 實驗은 結果를 얻기 위해 充分한 感度(sensitivity)를 지닌 實驗인지는 論難이 있다. 한便 1908年 Trouton-Rankine 實驗은 Kennedy-Thorndike實驗에 對應되는 靜電氣學的 實驗으로 놀라운 感度(sensitiviy)를 지닌 實驗이었다.

다른 說明 [ 編輯 ]

Proceedings of the Natural Philosophy Alliance라는 題目의 刊行物에서 古典的인 도플러 效果 로 마이컬슨-몰리 實驗의 結果(干涉무늬의 주름 模樣變化가 없는 結果)를 說明하려는 試圖가 있었다. 그러나 이들 中 어느 것도 說得力있는 解釋으로 받아들여지지 않았다. 이 實驗은 마이컬슨 干涉計 實驗이라는 또다른 名稱을 가지고 있다.

重力 波動 測定에의 應用 [ 編輯 ]

아인슈타인은 自身의 一般相對性理論 에서 重力波動이 存在한다고 豫測하였다. 하지만 2006年까지 이들 波動은 오직 間接的으로만 觀測되었다. 最近에 LIGO 와 VIRGO 等의 重力 波動을 直接的으로 觀測하기 위하여 매우 銳敏하고 킬로 미터 크기의 마이컬슨 干涉計 (Fabry-Perot 干涉計와 結合되어 使用됨)가 利用되고 있다. LISA 프로젝트는 NASA 와 ESA 의 共同 미션으로 50萬 킬로미터 길이의 마이컬슨 干涉計 3個를 宇宙空間에 띄워 낮은 周波數의 重力 波動을 觀測하는 것을 目的으로 하고 있다.

같이 보기 [ 編輯 ]

• 레이저 干涉計 重力波 觀測所

各州 [ 編輯 ]

參考 文獻 [ 編輯 ]

• Michelson, A. A.; et al. (1928). “Conference on the Michelson?Morley Experiment Held at Mount Wilson, February, 1927”. 《Astrophysical Journal》 68 : 341?390. doi : 10.1086/143148 .   더 以上 支援되지 않는 變數를 使用함 ( 도움말 )
• Shankland, Robert S.; et al. (1955). “New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller”. 《Reviews of Modern Physics》 27 (2): 167?178. doi : 10.1103/RevModPhys.27.167 .   더 以上 支援되지 않는 變數를 使用함 ( 도움말 )
• DeMeo, James (2002). “Dayton Miller's Ether-Drift Experiments: A Fresh Look” . 《Pulse of the Planet》 5 : 114?130.  
• Muller, Holger; et al. (2003). “Modern Michelson-Morley Experiment Using Cryogenic Optical Resonators”. 《Physical Review Letters》 91 : 020401. doi : 10.1103/PhysRevLett.91.020401 .   더 以上 支援되지 않는 變數를 使用함 ( 도움말 )
• Parentani, Renaud (2002). “What Did We Learn from Studying Acoustic Black Holes?”. 《International Journal of Modern Physics A》 17 (20): 2721?2726. doi : 10.1142/S0217751X02011679 .  
• Rashevsky, N. (1921). “Light Emission from a Moving Source in Connection with the Relativity Theor”. 《Physical Review》 18 : 369?376. doi : 10.1103/PhysRev.18.369 .  
• 重力波에 對하여: PostScript file 2003年 봄 21號 美國 物理學會(American Physical Society)의 重力 그룹 消息紙에서; 구글을 利用하면 內容을 찾을 수 있습니다.
• YAN Kun(2004). Energy-exchange descriptions on the superluminal velocity and quantum fractal (Equation of the one-way speed of light for the constancy of the two-way speed of light). DOI:10.3969/j.issn.1006-8341.2004.03.010.