기적의 해 논문

기적의 해 (Annus mirabilis) 논문 ( "기적의 해"를 뜻하는 라틴어 annus mīrābilis에서 유래)는 알베르트 아인슈타인이 과학 저널인 《물리학 연보》(Annalen der Physik)에 발표한 4편의 논문이다. 이 논문들은 현대 물리학의 기초에 중요한 공헌을 했는데 공간, 시간, 질량 및 에너지의 기본 개념에 대한 과학적 이해에 혁명을 일으켰다. 아인슈타인이 이러한 놀라운 논문들을 단 1년 동안에 출판했기 때문에 1905년은 그의 "annus mirabilis" (기적의 해, 독일어로 Wunderjahr)라고 불린다.

4편 중 첫 번째 논문은 아인슈타인에게 노벨 물리학상을 수여하기 위한 공적조서에서 언급된 유일한 업적인 광전 효과에 관한 것이다. 두 번째 논문은 브라운 운동을 설명하는데, 원자론을 수용하는데 소극적인 물리학자들이 이 논문에 의하여 원자의 존재를 받아들이게 되었다. 세 번째 논문은 특수 상대성이론을 소개하는 것이다. 네 번째 논문에서는 특수 상대성 이론의 결과로 유명한 방정식인 로 표현되는 질량-에너지 등가 원리를 정립하고 있는데, 이후에 원자력의 발견과 그 이용으로 이어졌다. 현대 물리학의 기초는 이 4편의 논문과 양자역학 및 아인슈타인에 의하여 나중에 발표된 일반 상대성이론에 의하여 성립하게 된다.

배경 

논문이 작성 될 당시 아인슈타인은 정기적으로 《물리학 연보》에 대한 리뷰를 읽고 기고했지만 전체 과학 참고 자료에 쉽게 접근 할 수는 없었다. 또한 그의 이론에 관하여 함께 의논 할 수 있는 과학 동료는 거의 없었다. 그는 스위스의 베른에 있는 특허청에서 심사관으로 일했는데 아인슈타인은 나중에 그곳의 동료인 미셸 베소에 대하여 "유럽 어디에서도 나의 아이디어에 대해서 그보다 더 나은 사운딩 보드(sounding board)를 찾을 수 없었다"라고 말했다. 또한 동료들과 자칭 "올림피아 아카데미"(모리스 솔로바인과 콘라드 하비히트)의 다른 멤버들과 그의 아내 밀레바 마리치가 아인슈타인의 작업에 어느 정도 영향을 미쳤다고 생각되지만 그 정도는 불명확하다.

아인슈타인은 4편의 이 논문을 통해 동시대에서 가장 중요한 물리학 문제를 해결했다. 1900년에 켈빈 경은 "열과 빛의 동적 이론에 대한 19 세기의 구름"이라는 제목의 강의에서 물리학에서 마이켈슨-몰리 실험의 결과와 흑체 복사에 대한 만족스러운 설명이 없다고 제시했다. 앞에서 소개 된 대로 특수 상대성 이론에 의하여 마이켈슨-몰리 실험의 결과에 대한 설명이 제공되었다. 광전 효과에 대한 아인슈타인의 설명에 의하여 막스 플랑크에 의한 흑체 복사에 대한 성공적인 설명으로부터 발전된 양자 이론이 확장되었다.

그의 명성은 특수 상대성이론과 같은 다른 업적에 의하여 더욱 유명하게 되었지만, 1921년에 노벨 물리학상을 수상한 것은 그의 광전효과에 관한 업적에 의한 것이다. 노벨상 위원회에서는 특수 상대성이론이 실험으로 확인되는 것을 인내심을 가지고 기다렸는데 이것이 비로소 확인된 것은 이브즈(Ives)와 스틸웰(Stilwell)(1938년 및 1941년) 및 로씨와 홀(1941년)에 의한 시간지연 실험에서였다.

논문

광전 효과 
광전효과에 관한 "빛의 생산과 변환에 관한 휴리스틱 관점에 관하여"라는 논문은 3월 18일에 접수되어 6월 9일에 발간되었는데 '에너지 양자'에 대한 아이디어를 제안했다. 이 아이디어는 막스 플랑크의 흑체 복사 법칙에 대한 초기 유도에 의하여 그 동기가 부여 되었는데, 여기서 발광 에너지는 양자라고 불리는 이산적인 양으로만 흡수 또는 방출 될 수 있다고 가정하고 있다. 아인슈타인은 이렇게 말한다.

광전 효과를 설명 할 때 에너지가 이산적인 패킷으로 구성된다는 가설은 아인슈타인이 설명하였듯이 흑체에도 직접 적용할 수 있다.

광자의 개념은 전자기적 행동에 대한 제임스 클러크 맥스웰의 방정식에 의하여 쉽게 유도되는 파동 이론 및 보다 일반적인 물리적 시스템에서 에너지의 무한 분할 가능성에 따른 가정과 모순된다.

아인슈타인은 광전 효과가 빛의 파장과 주파수에 따라 달라진다고 지적했다. 너무 낮은 주파수에서는 강한 빛에 의해서도 전자가 생성되지 않았다. 그러나 특정 주파수에 도달하면 낮은 강도의 빛에 의해서도 전자가 생성되었다. 그는 이것을 빛이 hf에 의해 주어지는 에너지 패킷으로만 방출 될 수 있다는 플랑크의 가설과 비교했다. 여기서 h는 플랑크 상수이고 f는 주파수이다. 그런 다음 빛은 에너지가 주파수에 의존하는 패킷으로 이동하므로 특정 주파수 이상의 빛만 전자를 방출하기에 충분한 에너지를 가져올 것이라고 가정했다.

실험을 통하여 광전 효과에 대한 아인슈타인의 방정식이 정확하다는 것이 확인 된 후에도 그의 설명은 보편적으로 받아들여지지는 않았다. 닐스 보어는 1922년 노벨상 수상 연설에서 "광양자 가설은 발광의 본질에 빛을 던질 수 없다"고 말했다.

1921년이 되어 아인슈타인이 노벨상을 수상하고 그의 업적으로 광전 현상이 언급되자 일부 물리학자들은  의 등식이 옳으며 광자가 가능하다는 점을 인정하였다. 1923년 아서 콤프턴의 X선 산란 실험에 의하여 더 넓은 과학계에서 이 공식을 받아들이게 되었다. 광자 이론은 양자역학의 기본 원리인 파동-입자 이중성의 강력한 지표였다. 광전 이론의 완전한 그림은 양자 역학이 성숙한 이후에 실현되었다.

브라운 운동 
2번째 논문 "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen"(열 분자 운동 이론에 의해 요구되는 고정 액체에 부유하는 작은 입자의 운동)은 5월 11일에 접수되어 7월 18일에 출판되었는데, 브라운 운동의 확률적 모델을 설명했다.

아인슈타인은 입자의 평균제곱 변위에 대한 표현식을 개발했다. 당시 논란의 여지가 있었던 기체의 운동 이론을 사용하여 이 기사는 처음 관찰된 지 수십 년이 지난 후에도 만족스러운 설명이 없었던 브라운 운동이 원자의 실체에 대한 경험적 증거를 제공한다는 것을 입증했다. 또한 당시 논란이 되었던 통계 역학에 대한 신뢰도를 높였다. 이 논문 이전에는 원자가 유용한 개념으로 인식 되긴 했지만, 물리학자와 화학자들은 원자가 실제의 실체인지에 대해 논쟁을 벌였다. 원자 행동에 대한 아인슈타인의 통계적 논의는 실험자들에게 일반 현미경을 통해 원자를 셀 수 있는 방법을 제공했다. 원자론 반대 학파의 수장인 빌헬름 오스트발트와 아르놀트 조머펠트는 나중에 장 바티스트 페랭에 의한 후속의 브라운 운동 실험에 의하여 원자의 존재를 확신하게 되었다고 말했다.

특수 상대성 이론 
 
아인슈타인의 기적의 해 3번째 논문인 "Zur Elektrodynamik bewegter Körper"(움직이는 물체의 전기 역학),은 6월 30일에 접수되어 9월 26일에 출판되었다. 그것은 빛의 속력에 가까운 역학에 주요 변화를 도입함으로써 전기 및 자기에 대한 맥스웰 방정식을 역학 법칙과 서로 조화롭게 하였다. 이것은 나중에 아인슈타인의 특수 상대성이론으로 알려지게 되었다.

이 논문에서는 다른 다섯 명의 과학자인 아이작 뉴턴, 제임스 클러크 맥스웰, 하인리히 루돌프 헤르츠, 크리스티안 도플러 및 헨드릭 로런츠의 이름만을 언급하고 그외의 출판물에 대한 언급은 없다. 특수 상대성 이론과 상대성 이론에 관한 우선권 분쟁의 역사에서 자세히 설명 된 것처럼 많은 아이디어가 이미 다른 사람들에 의해 발표되었다. 그러나 아인슈타인의 논문은 중력을 제외한 시간, 거리, 질량 및 에너지에 관한 이론으로서 전자기학과 일관성이 있는 이론을 제안하였다.

당시 맥스웰의 방정식을 움직이는 물체에 적용하면 비대칭 ( 움직이는 자석 및 도체 문제)이 발생한다는 점과, 광 매체(즉, 에테르)에 상대적인 지구의 움직임을 관측할 수 없다는 점이 알려져 있었다. 아인슈타인은 이러한 관찰을 설명하기 위해 두 가지 가정을 제시하였다. 첫째, 그는 물리학의 법칙은 모든 비가속 기준 좌표계(관성 기준 좌표계으로 불림)에 대하여 동일하게 유지된다는 상대성의 원리를 역학뿐만 아니라 전자기학 및 광학에서도 적용된다고 가정한다. 두 번째 가정에서 아인슈타인은 빛의 속도가 발광체의 운동 상태에 관계없이 모든 기준 좌표계에서 동일한 값을 갖는다고 제안한다.

따라서 특수 상대성 이론은 매질 (예 : 물 또는 공기)을 필요로 하는 다른 알려진 파동과는 달리 광파에 대한 매질 (즉 에테르)를 감지하지 못한 마이켈슨-몰리 실험의 결과와 일치하는 이론이다. 아인슈타인은 그 실험에 대해 알지 못하였을 수 있지만, 다음과 같이 말하였다.

빛의 속도는 고정되어 있으므로 관찰자의 움직임과 관련이 없다. 아이작 뉴턴의 고전역학에서는 불가능하다. 아인슈타인은 다음과 같이 주장한다.

종전 1889년에 조지 피츠제럴드(George FitzGerald) 와 1892년 헨드릭 로런츠는 서로 독립적으로 움직이는 물체가 움직이는 방향으로 수축이 되면 마이켈슨-몰리(Michelson-Morley) 실험의 결과를 설명 할 수 있다고 제안하였다. 논문의 핵심 방정식인 로런츠 변환 중 일부는, 로런츠의 1904년 논문을 발전시킨 조지프 라모어 (1897, 1900), 헨드릭 로런츠 (1895, 1899, 1904) 및 앙리 푸앵카레 (1905)에 의하여 발표되었다. 아인슈타인의 발표는 피츠제럴드, 라르모르(Larmor), 로런츠의 설명과는 달랐지만 푸앵카레(1905)의 공식화와 많은 면에서 유사했다.

그의 설명은 두 가지 공리에서 비롯된다. 첫 번째는 자연의 법칙이 서로에 대해 일정한 속도로 움직이는 모든 관찰자에게 동일해야 한다는 갈릴레오 갈릴레이의 생각이다. 아인슈타인은 이렇게 썼다.

두 번째 공리는 모든 관찰자에게 빛의 속력이 동일하다는 규칙이다.

이제 특수 상대성이론 불리는 이 이론은 모든 관찰자가 동등하다고 간주하는 그의 후속하는 일반 상대성이론과 구별된다. 특수 상대성 이론은 1905년에 "발견 되기에 충분히 숙성되었다"는 아인슈타인의 발언을 확인하면서 놀랍도록 빠르게 널리 받아 들여졌다. 아인슈타인은 자신의 아이디어를 조기에 전파하는 과정에서 막스 플랑크의 역할을 인정하면서 1913년에 다음과 같이 썼다. "이 이론이 동료들로부터 너무 빨리 받은 관심은 대부분 플랑크의 단호함과 따뜻함에 기인 한 것이다. 또한 1907년의 헤르만 민코프스키에 의한 개선된 수학적 공식화는 이 이론이 받아들여지는 데 영향을 미쳤다. 또한 가장 중요한 것은 이 이론이 계속해서 증가하는 확증적인 실험적 증거에 의해 뒷받침된다는 것이다.

질량 에너지 등가 
11월 21일(9월 27일 접수)에는 4번째 논문 "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?"(물체의 관성은 에너지 양에 의존하는가?)가 출간되었는데 여기서 아인슈타인은 모든 방정식 중에서 가장 유명한 것으로 알려져 있는  식을 유도하였다.

아인슈타인은 등가 방정식이 가장 중요하다고 생각했는데 그 이유는 거대한 입자가 고전적인 운동 에너지와 위치 에너지와 다른 에너지인 "정지 에너지"를 가지고 있음을 보여주기 때문이다. 이 논문은 제임스 클러크 맥스웰과 하인리히 루돌프 헤르츠의 연구 및 상대성의 공리에 기초하고 있는데, 아인슈타인은 아래와 같이 말한다.

방정식은 정지된 물체의 에너지 (  )가 질량 (  ) x 빛의 속도 (  )의 제곱, 즉 임을 보여준다.

질량-에너지 등가는 핵반응에 의해 방출되거나 소비되는 에너지의 양을 예측하는 데 사용될 수 있다. 즉 모든 성분의 질량과 모든 결과물의 질량을 측정하고 그 차이에 단순히  을 곱한다. 결과는 일반적으로 빛이나 열의 형태로 방출, 소비되는 에너지의 양을 나타낸다. 이 방정식은 에너지로 변환되는 질량의 양이 무시될 수 있는 화학 폭발물 연소에 의한 에너지 양의 수백만 배나 되는 엄청난 양의 에너지가 특정한 핵 반응에서 방출 될 것임을 보여 준다. 이것은 핵무기와 원자로가 어떻게 엄청난 양의 에너지를 방출하는지에 대하여, 핵분열과 핵융합 과정에서 결합 에너지를 방출하여 아원자 질량의 일부를 에너지로 변환하기 때문이라는 것을 보여준다.

기념 
IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics)에서는 아인슈타인의 광범위한 연구가 이루어진 1905년으로부터 100년이 되는 2005년을 '세계 물리학의 해 2005'로 기념하기로 결정했는데 이것은 UN에 의해 승인되었다.

각주

출전 및 주석

1차 자료

2차 자료 
  Gribbin, John, and Gribbin, Mary. Annus Mirabilis: 1905, Albert Einstein, and the Theory of Relativity, Chamberlain Bros., 2005. . (Includes DVD.)
 Renn, Jürgen, and Dieter Hoffmann, "1905—a miraculous year". 2005 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 S437-S448 (Max Planck Institute for the History of Science) [Issue 9 (14 May 2005)]. .
  Stachel, John, et al., Einstein's Miraculous Year. Princeton University Press, 1998. .

외부 링크 
 Annus Mirabilis 논문 모음 및 영어 번역

알베르트 아인슈타인의 작품
물리학사
1905년 과학
1905년 문서