에테르 끌림 가설

19세기, 빛 파동의 전파를 위한 가상의 매질로서 광학 에테르 이론이 널리 논의되었다. 에테르 가설은 당시의 물리학자들이 물리적인 매질 없이 빛 파동이 전파되는 것을 상상할 수 없었기 때문에 제기되었다. 가상의 광학 에테르를 탐지하는 실험들이 실패하자, 물리학자들은 가상의 에테르 존재를 보존하는 설명을 고안했다.

에테르 끌림 가설()은 광학 에테르가 움직이는 물질에 의해 끌리거나 그 안에 갇힌다고 제안했다. 이 가설의 한 버전에 따르면, 지구와 에테르 사이에 상대적인 움직임은 존재하지 않는다. 다른 버전에 따르면, 지구는 에테르에 대해 움직이며, 측정된 빛의 속력은 이 움직임("에테르 바람")의 속도에 의존해야 하며, 이는 지구 표면에 정지한 기구로 측정 가능해야 한다. 1818년, 오귀스탱 프레넬은 에테르가 물질에 의해 부분적으로 끌린다고 제안했다. 1845년, 조지 스토크스는 에테르가 물질 내부 또는 근처에 완전히 끌려들어간다고 제안했다.

프레넬의 거의 정지된 이론은 피조 실험 (1851년)에 의해 분명히 확인되었지만, 스토크스의 이론은 마이컬슨-몰리 실험 (1881년, 1887년)에 의해 분명히 확인되었다. 헨드릭 로런츠는 자신의 에테르 이론에서 이러한 모순적인 상황을 해결했으며, 어떠한 형태의 에테르 끌림도 배제했다. 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성이론 (1905년)은 에테르를 기계적 매질로서 배제한다.

상대성이론과 양자역학에 기반한 현대 물리학에서는, "운동 상태"를 가진 "물질"로서의 에테르는 더 이상 아무런 역할을 하지 않는다. 따라서 가능한 "에테르 끌림"에 관한 질문은 과학 공동체에서 더 이상 유의미하게 간주되지 않는다. 그러나 일반 상대성이론에 의해 예측되는 틀 끌림은 회전하는 질량이 시공간 계량을 왜곡하여 근처 입자의 궤도 세차 운동을 유발하는데, 이는 존재한다. 하지만 이 효과는 이 문서에서 논의된 "에테르 끌림"보다 훨씬 약하다.

 부분 에테르 끌림 
1810년, 프랑수아 아라고는 입자 이론으로 예측되는 물질의 굴절률 변화가 빛의 속도를 측정하는 유용한 방법을 제공할 것이라고 깨달았다. 이러한 예측은 유리와 같은 물질의 굴절률이 공기 중과 유리 내 빛의 속도 비율에 따라 달라지기 때문에 발생했다. 아라고는 망원경 전면에 있는 유리 프리즘에 의해 빛의 입자들이 얼마나 굴절될지 측정하려고 했다. 그는 별들의 다양한 속도와 하루 중 다른 시간대 및 연중 다른 시기 지구의 움직임 때문에 다양한 굴절 각도가 있을 것이라고 예상했다. 이러한 예상과는 달리, 그는 별들 사이, 하루 중 시간대 사이, 계절 사이에서 굴절에 차이가 없음을 발견했다. 아라고가 관찰한 것은 평범한 수차였다.

1818년, 오귀스탱 프레넬은 빛의 파동 이론을 사용하여 아라고의 결과를 조사했다. 그는 빛이 파동으로 전달되더라도 유리가 에테르를 통과하여 지구가 회전하고 계절이 바뀔 때 들어오는 파동과 다른 속도로 부딪히면서 유리-공기 경계면의 굴절률이 변했어야 한다고 깨달았다. 프레넬은 유리 프리즘이 에테르의 일부를 함께 운반할 것이므로 "...프리즘 내부에 에테르가 과잉으로 존재한다"고 제안했다. 그는 파동 전파 속도가 매질의 밀도에 따라 달라진다는 것을 깨달았고, 그래서 프리즘 내 빛의 속도가 '끌림' 양만큼 조정되어야 한다고 제안했다. 어떤 조정도 없는 유리 내 빛의 속도 는 다음과 같다:

끌림 조정 는 다음과 같다:

여기서 는 환경의 에테르 밀도이고, 는 유리 내 에테르 밀도이며, 는 에테르에 대한 프리즘의 속도이다.

계수 는 로 쓸 수 있는데, 굴절률 n은 에테르의 밀도에 따라 달라지기 때문이다. 이것은 프레넬 끌림 계수라고 알려져 있다. 유리 내 빛의 속도는 다음과 같다:

이 보정은 아라고 실험의 null 결과를 성공적으로 설명했다. 이는 유리와 같은 물질에 의해 끌리지만 공기에는 끌리지 않는 대체로 정지된 에테르 개념을 도입한다. 이 성공은 이전의 입자 이론보다 파동 이론을 지지했다.

 부분 에테르 끌림의 문제점 
프레넬의 끌림 계수는 피조 실험과 그 반복 실험에 의해 직접 확인되었다. 일반적으로 이 계수를 사용하여 1차 효과를 감지하기에 충분히 민감한 모든 광학 에테르 표류 실험(예: 아라고, 피조, 훅, 에어리, 마스카르트의 실험)의 음성 결과를 설명할 수 있다. (거의) 정지된 에테르 개념은 수차와도 일치한다. 그러나 이 이론은 다음과 같은 이유로 반박된 것으로 간주된다.

 19세기에도 부분적인 에테르 끌림은 에테르와 물질의 상대 속도가 다른 색깔의 빛에 대해 달라야 한다는 것을 필요로 한다는 것이 이미 알려져 있었다. 이는 분명히 사실이 아니다.
 프레넬의 (거의) 정지된 에테르 이론은 2차 효과를 감지하기에 충분히 민감한 실험에서 양성 결과를 예측한다. 그러나 마이컬슨-몰리 실험과 트루튼-노블 실험과 같은 실험들은 오차 범위 내에서 음성 결과를 보여주었으며, 따라서 프레넬의 에테르 이론에 대한 반증으로 간주된다.
 1935년 구스타프 빌헬름 하마르가 수행한 하마르 실험에서는 공통 경로 간섭계가 사용되었다. 간섭계의 한쪽 다리에만 거대한 납 블록이 양쪽에 설치되었다. 이 배열은 다른 양의 에테르 끌림을 유발하여 양성 결과를 만들어야 했다. 그러나 결과는 다시 음성으로 나왔다.

 완전 에테르 끌림 
조지 스토크스 (1845)에게 움직이는 물질에 전혀 영향을 받지 않거나 부분적으로만 영향을 받는 에테르 모델은 부자연스럽고 설득력이 없었으므로, 그는 에테르가 물질 내부 및 근처에서 완전히 끌리고, 더 먼 거리에서는 부분적으로 끌리며, 자유 공간에서는 정지 상태를 유지한다고 가정했다. 또한 하인리히 루돌프 헤르츠 (1890)는 갈릴레이 상대성 원리와 일치시키기 위해 맥스웰의 전자기 이론을 정교화하는 과정에서 완전 에테르 끌림 모델을 통합했다. 즉, 에테르가 한 기준 좌표계에서 물질 내부에 정지해 있다고 가정하면, 갈릴레이 변환은 물질과 (끌려들어간) 에테르가 다른 기준 좌표계에서 동일한 속도로 이동한다는 결과를 제공한다.

 완전 에테르 끌림의 문제점 
섬네일|upright|로지의 에테르 기계. 민감한 공통 경로 간섭계에서 나온 빛이 빠르게 회전하는 디스크 사이로 유도되었다.
완전 에테르 끌림은 모든 에테르 표류 실험(예: 마이컬슨-몰리 실험)의 음성 결과를 설명할 수 있다. 그러나 이 이론은 다음과 같은 이유로 잘못된 것으로 간주된다.

 피조 실험 (1851년)은 부분적인 빛의 끌림만을 나타냈다.
 사냐크 효과는 회전하는 플랫폼에서 동일한 광원에서 다른 방향으로 방출된 두 개의 빛줄기가 광원으로 돌아오는 데 다른 시간이 걸린다는 것을 보여준다. 그러나 에테르가 플랫폼에 의해 완전히 끌린다면 이 효과는 전혀 발생하지 않아야 한다.
 올리버 로지는 1890년대에 빛의 전파가 큰 회전 질량의 근접성에 의해 영향을 받는지에 대한 증거를 찾기 위한 실험을 수행했지만, 그러한 영향을 찾지 못했다.

섬네일|완전 에테르 끌림은 수차 현상과 모순된다. 이 그림에서 별들이 무한히 멀리 있다고 상상해보자. 수차는 관찰자의 속도가 별에서 들어오는 빛이 이동하는 선에 수직인 성분을 가질 때 발생한다. 왼쪽 애니메이션에서 볼 수 있듯이, 별이 접안렌즈 중앙에 나타나려면 망원경을 기울여야 한다. 오른쪽 애니메이션에서 볼 수 있듯이, 에테르가 지구 근처에서 끌린다면, 별이 접안렌즈 중앙에 나타나려면 망원경을 별을 직접 향하게 해야 한다.

 수차 현상과 모순된다. 수차에서 망원경으로 관측한 별의 위치는 6개월마다 약 20.5초의 각도로 중심 위치를 기준으로 양쪽으로 흔들린다. 이 흔들림의 양은 지구의 공전 속도를 고려할 때 예상되는 양이다. 1871년 에어리는 망원경이 물로 가득 차 있을 때도 수차가 발생한다는 것을 입증했다. 에테르 끌림 가설이 사실이라면 빛이 망원경과 함께 움직이는 에테르를 통해 이동할 것이므로 수차가 발생하지 않을 것이다. 터널에 들어가려는 기차 위의 양동이를 생각해보고, 터널 입구에서 양동이의 정확히 중앙으로 물방울이 떨어진다고 상상해보자. 물방울은 양동이 바닥의 중앙에 맞지 않을 것이다. 양동이는 망원경의 통과 유사하고, 물방울은 광자이며, 기차는 지구이다. 만약 에테르가 끌린다면, 물방울은 떨어질 때 기차와 함께 이동하여 양동이 바닥의 중앙에 맞을 것이다. 수차의 양 는 다음과 같이 주어진다:

 따라서: 

지구가 태양 주위를 도는 속도 v = 30 km/s, 빛의 속도 c = 299,792,458 m/s를 대입하면 6개월마다 = 20.5 초의 각도가 나온다. 이 양의 수차가 관측되며, 이는 완전 에테르 끌림 가설과 모순된다.

 스토크스의 문제에 대한 응답 
스토크스는 이미 1845년에 그의 이론을 실험 결과와 일치시키기 위해 몇 가지 추가 가정을 도입했다. 수차를 설명하기 위해, 그는 그의 비압축성 에테르가 비회전성이라고 가정했으며, 이는 그의 특정 에테르 끌림 모델과 결합하여 올바른 수차 법칙을 제공할 것이다. 프레넬의 끌림 계수(따라서 피조 실험을 설명하기 위해)를 재현하기 위해 그는 에테르가 매질 내에서 완전히 끌린다고 주장했다. 즉, 에테르가 매질에 들어갈 때 압축되고 다시 떠날 때 희박해지며, 이는 에테르와 빛의 속도를 모두 수정하여 프레넬의 것과 동일한 표현으로 이어진다.

스토크스의 수차 이론은 한동안 타당한 것으로 여겨졌지만, 로런츠가 1886년에 스토크스의 이론에서 에테르가 비압축성이고 에테르가 지구와 동일한 속도의 법선 성분을 가진다면, 에테르는 동일한 속도의 접선 성분을 가지지 않을 것이므로 스토크스가 제시한 모든 조건을 동시에 충족할 수 없다고 주장했기 때문에 포기해야 했다.

 중력 에테르 끌림 
스토크스 모델의 또 다른 버전은 테오도르 데 쿠드레스와 빌헬름 빈 (1900)에 의해 제안되었다. 그들은 에테르 끌림이 중력 질량에 비례한다고 가정했다. 즉, 에테르는 지구에 의해 완전히 끌리고, 지구상의 더 작은 물체에 의해서는 부분적으로만 끌린다고 보았다. 그리고 스토크스의 수차 설명을 구하기 위해 막스 플랑크 (1899)는 로런츠에게 보낸 편지에서 에테르가 비압축성이 아니라 지구 근처에서 중력에 의해 응축될 수 있으며, 이것이 스토크스 이론("스토크스-플랑크 이론")에 필요한 조건을 제공할 것이라고 주장했다. 위의 실험들과 비교했을 때, 이 모델은 피조와 사냐크 실험의 양성 결과를 설명할 수 있다. 왜냐하면 이 장비들의 작은 질량은 에테르를 부분적으로만(또는 전혀) 끌 수 있기 때문이며, 같은 이유로 로지의 실험의 음성 결과도 설명한다. 또한 에테르가 지구의 큰 질량에 의해 완전히 끌리므로 하마르와 마이컬슨-몰리 실험과도 양립한다.

그러나 이 이론은 마이컬슨-게일-피어슨 실험 (1925)에 의해 직접적으로 반박되었다. 이 실험의 큰 차이점은 일반적인 사냐크 실험과 달리 지구 자체의 회전을 측정했다는 사실이다. 에테르가 지구의 중력장에 의해 완전히 끌린다면 음성 결과가 예상되어야 했지만, 결과는 양성이었다.

그리고 이론적인 측면에서 헨드릭 안톤 로런츠는 스토크스-플랑크 가설이 에테르 밀도가 50,000배 증가하더라도 빛의 속도에 영향을 미치지 않아야 한다고 지적했다. 그래서 로런츠와 플랑크 자신도 이 가설을 있을 법하지 않은 것으로 기각했다.

 로런츠와 아인슈타인 
로런츠가 스토크스의 가설을 포기해야 했으므로, 그는 프레넬의 모델을 출발점으로 선택했다. 그는 1892년에 프레넬의 끌림 계수를 재현할 수 있었지만, 로런츠의 이론에서는 에테르 끌림의 결과가 아니라 빛 파동 전파의 변형을 나타낸다. 따라서 로런츠의 에테르는 완전히 정지하거나 움직이지 않는다. 그러나 이것은 이미 프레넬의 모델을 괴롭혔던 것과 동일한 문제로 이어진다: 마이컬슨-몰리 실험과 모순되었다. 따라서 조지 프랜시스 피츠제럴드 (1889)와 로런츠 (1892)는 길이 수축을 도입했는데, 이는 모든 물체가 계수로 운동 방향으로 수축한다는 것이다. 또한 로런츠의 이론에서 갈릴레이 군은 로런츠 변환으로 대체되었다.

그러나 정지된 에테르 개념을 구하기 위한 가설의 축적은 매우 인위적인 것으로 간주되었다. 그래서 알베르트 아인슈타인 (1905)은 특수 상대성이론을 발전시키고 완전한 로런츠 변환을 유도하기 위해 상대성 원리와 모든 관성 좌표계에서 빛의 속도의 불변성만을 가정하면 된다는 것을 인식했다. 이 모든 것은 정지된 에테르 개념을 사용하지 않고 이루어졌다.

막스 폰 라우에 (1907)가 보여주었듯이, 특수 상대성이론은 에테르 없이도 속도 덧셈 정리로부터 피조 실험의 결과를 예측한다. 만약 가 피조 장치에 대한 빛의 속도이고 가 물에 대한 빛의 속도이며 가 물의 속도라면:

이는 v/c가 작을 때 이항 전개를 사용하여 다음과 같이 확장될 수 있다:

이는 프레넬 방정식과 동일하다.

 알레 에테르 가설 

모리스 알레는 1959년에 19세기 과학자들이 지지했던 표준 값인 30 km/s보다 훨씬 낮은 약 8 km/s의 바람 속도를 포함하는 에테르 가설을 제안했으며, 이는 마이컬슨-몰리 실험과 논란이 있는 데이튼 밀러 실험, 그리고 그 자신의 실험들과 양립한다. 논란이 많은 알레 효과는 일반 상대성이론에 의해 예측되지 않으며 그의 실험 결과는 논란이 있다.

 같이 보기 
 특수상대론의 역사
 특수 상대성이론의 실험적 검증
 일반상대론의 검증
 틀 끌림

 각주 

 추가 자료 
 Wikibooks: Special Relativity
 Resnick, Robert, Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory, 1972, John Wiley and Sons Inc.

 외부 링크 
 Mathpages: Stokes’ Mistake

분류:에테르 이론