로런츠 에테르 이론

현재 흔히 로런츠 에테르 이론(, LET)이라고 불리는 것은 19세기 말과 20세기 초에 고전 에테르 이론 발전의 종말을 고한 헨드릭 로런츠의 "전자 이론"에 뿌리를 두고 있다.

로런츠의 초기 이론은 1892년부터 1895년 사이에 만들어졌으며, 에테르 운동에 대한 가정을 제거하는 것에 기반을 두었다. 이 이론은 에테르 안에서 정지한 계와 운동하는 계를 연결하기 위해 "국소 시간"이라는 보조 변수를 도입함으로써 1차 v/c 오차까지는 음의 에테르 표류 실험의 실패를 설명했다. 또한 마이컬슨-몰리 실험의 부정적인 결과는 1892년에 길이 수축 가설을 도입하게 했다. 그러나 다른 실험들도 부정적인 결과를 낳았고 (앙리 푸앵카레의 상대성 원리에 따라) 로런츠는 1899년과 1904년에 로런츠 변환을 도입하여 그의 이론을 v/c의 모든 차수까지 확장하려고 시도했다. 또한 그는 비전자기력(존재한다면)이 전기력처럼 변환된다고 가정했다. 그러나 로런츠의 전하 밀도와 전류에 대한 표현은 부정확하여 그의 이론은 에테르 감지 가능성을 완전히 배제하지 못했다. 결국, 1905년에 앙리 푸앵카레가 로런츠 논문의 오류를 수정하고 실제로 비전자기력(중력을 포함)을 이론에 통합했는데, 그는 이를 "새로운 역학"이라고 불렀다. 로런츠 이론의 많은 측면은 알베르트 아인슈타인과 헤르만 민코프스키의 연구와 함께 특수 상대성이론 (SR)에 통합되었다.

오늘날 로런츠 에테르 이론은 특수 상대성이론의 일종의 "로런츠적" 또는 "신로런츠적" 해석으로 종종 다루어진다. 로런츠의 정지 에테르의 역할을 하는 "선호되는" 기준틀에서 모든 현상에 대한 길이 수축과 시간 팽창의 도입은 완전한 로런츠 변환으로 이어진다(예시로 로버트슨-만수리-섹슬 시험 이론 참조). 따라서 로런츠 공변성은 로런츠 에테르 이론과 특수 상대성이론 사이의 실험적으로 검증 가능한 차이를 제공하지 않는다. 로런츠 에테르 이론의 만수리-섹슬 시험 이론 공식화에서의 절대 동시성은 빛의 편도 속도 실험이 원칙적으로 로런츠 에테르 이론과 특수 상대성이론을 구별할 수 있음을 의미하지만, 현재는 그러한 실험을 수행하는 것이 불가능하다는 것이 널리 받아들여진다. 로런츠 에테르 이론과 특수 상대성이론을 실험적으로 구별할 수 있는 방법이 없는 상황에서, 로런츠 에테르 이론에서 감지할 수 없는 에테르라는 불필요한 가정과 상대성 원리의 타당성이 애드혹적이거나 우연의 일치처럼 보이기 때문에 특수 상대성이론이 로런츠 에테르 이론보다 널리 선호된다.

 역사적 발전 
 기본 개념 
섬네일|left|헨드릭 로런츠
주로 1892년에서 1906년 사이에 로런츠와 푸앵카레에 의해 개발된 로런츠 에테르 이론은 오귀스탱 프레넬의 에테르 이론, 맥스웰 방정식 및 루돌프 클라우지우스의 전자 이론에 기반을 두었다. 로런츠의 1895년 논문은 에테르 표류 이론을 거부했고, 에테르의 본성에 대한 가정을 표명하기를 거부했다. 그는 이렇게 말했다.

막스 보른이 나중에 말했듯이, 당시 과학자들에게 로런츠 에테르의 정지 기준틀을 아이작 뉴턴의 절대 공간과 동일시하는 것은 자연스러운 일이었다(논리적으로 필수적인 것은 아니었지만). 이 에테르의 상태는 전기장 E와 자기장 H로 설명될 수 있으며, 이 필드들은 전자의 전하와 관련된 에테르의 "상태"를 나타낸다 (더 이상의 특정화 없이). 따라서 추상적인 전자기 에테르는 이전의 기계론적 에테르 모델을 대체한다. 전자가 원격 작용에 의해 작동한다고 받아들인 클라우지우스와는 달리, 에테르의 전자기장은 전자들 사이의 매개체로 나타나며, 이 필드의 변화는 빛의 속력보다 빠르게 전파될 수 없다. 로런츠는 자신의 이론을 바탕으로 제이만 효과를 이론적으로 설명했으며, 이 공로로 1902년 노벨 물리학상을 수상했다. 조지프 라모어는 동시에 유사한 이론을 발견했지만, 그의 개념은 기계적 에테르에 기반을 두고 있었다. 1895년 로런츠 이론의 근본적인 개념은 v/c 차수에 대한 "대응 상태의 정리"였다. 이 정리는 에테르에 대해 움직이는 관찰자가 정지 에테르 시스템의 관찰자와 동일한 전자기 방정식을 사용할 수 있으므로 동일한 관찰을 한다는 것을 명시했다.

 길이 수축 
로런츠 에테르 이론의 큰 도전 과제는 1887년의 마이컬슨-몰리 실험이었다. 프레넬과 로런츠의 이론에 따르면, 정지한 에테르에 대한 상대 운동은 이 실험에 의해 결정되어야 했지만 결과는 부정적이었다. 마이컬슨 자신은 그 결과가 에테르가 물질에 의해 완전히 끌려간다는 에테르 끌림 가설을 확증한다고 생각했다. 그러나 피조 실험과 수차 효과와 같은 다른 실험들은 그 모델을 반증했다.

가능한 해결책은 1889년에 올리버 헤비사이드가 맥스웰 방정식에서 움직이는 물체 주위의 자기 벡터 퍼텐셜 장이 계수만큼 변한다는 것을 도출했을 때 나타났다. 그 결과에 기초하여, 정지 에테르 가설을 마이컬슨-몰리 실험과 일치시키기 위해 조지 프랜시스 피츠제럴드는 1889년에 (정성적으로) 그리고 그와 독립적으로 로런츠는 1892년에 (이미 정량적으로) 정전기장뿐만 아니라 분자력도 운동 방향의 물체 차원이 운동 방향에 수직인 차원보다 만큼 작아지도록 영향을 받는다고 제안했다. 그러나 지구와 함께 움직이는 관찰자는 다른 모든 도구가 같은 비율로 수축하기 때문에 이 수축을 알아차리지 못할 것이다. 1895년 로런츠는 이 상대적 수축에 대해 아래와 같은 세 가지 가능한 설명을 제안했다.
 물체는 운동 방향으로 수축하고 그에 수직인 차원은 보존한다.
 물체의 차원은 운동 방향으로 동일하게 유지되지만, 그에 수직인 방향으로 팽창한다.
 물체는 운동 방향으로 수축하고 동시에 그에 수직인 방향으로 팽창한다.

정전기력과 분자간 힘 사이의 가능한 연결은 로런츠에 의해 타당성 주장으로 사용되었지만, 수축 가설은 곧 순전히 애드혹적인 것으로 간주되었다. 또한 이 수축이 전자 자체는 아니고 전자 사이의 공간에만 영향을 미친다는 것이 중요하며, 따라서 이 효과에 대해 때때로 "분자간 가설"이라는 이름이 사용되었다. 운동 방향에 수직인 방향으로 팽창 없이 정확한 값 (여기서 l0는 에테르에서 정지 상태의 길이)을 갖는 소위 길이 수축은 라모르가 1897년에, 로런츠가 1904년에 제시했다. 같은 해 로런츠는 전자 자체도 이 수축의 영향을 받는다고 주장했다. 이 개념의 추가 발전에 대해서는 항목을 참조하라.

 국소 시간 
1892년과 1895년의 대응 상태 정리의 중요한 부분은 국소 시간 이었다. 여기서 t는 에테르에 정지한 관찰자의 시간 좌표이고, t'는 에테르에서 움직이는 관찰자의 시간 좌표이다. (볼데마어 포크트는 이전에 1887년에 도플러 효과와 비압축성 매체와 관련하여 국소 시간에 대해 동일한 표현을 사용했다) 이 개념의 도움으로 로런츠는 빛의 수차, 도플러 효과 및 피조 실험 (즉, 움직이는 유체 및 정지 유체에서의 프레넬 끌림 계수 측정)을 설명할 수 있었다. 로런츠에게 길이 수축이 실제 물리적 효과였던 반면, 그는 시간 변환을 정지 시스템에서 "가상의" 움직이는 시스템으로의 계산을 단순화하기 위한 휴리스틱 작업 가설이자 수학적 규정으로만 간주했다. 로런츠와 달리 푸앵카레는 국소 시간의 정의에서 수학적 속임수 이상의 것을 보았으며, 그는 이를 로런츠의 "가장 독창적인 아이디어"라고 불렀다. 시간의 측정에서 그는 1898년에 다음과 같이 썼다.

1900년에 푸앵카레는 국소 시간을 광신호를 기반으로 한 동기화 절차의 결과로 해석했다. 그는 에테르에서 움직이는 두 관찰자 A와 B가 광신호로 시계를 동기화한다고 가정했다. 그들은 자신을 정지 상태로 간주하기 때문에 신호의 전송 시간만 고려하고 시계가 동기화되었는지 확인하기 위해 관찰을 교차해야 한다. 그러나 에테르에 정지한 관찰자의 관점에서 볼 때 시계는 동기화되지 않고 국소 시간 를 나타낸다. 하지만 움직이는 관찰자들은 자신의 움직임에 대해 아무것도 모르기 때문에 이를 인식하지 못한다. 1904년에 그는 같은 절차를 다음과 같이 설명했다. A가 시간 0에 B에게 신호를 보내고, 신호는 시간 t에 도착한다. B도 시간 0에 A에게 신호를 보내고, 신호는 시간 t에 도착한다. 두 경우 모두 t가 동일한 값을 가지면 시계는 동기화되지만, 시계가 에테르에 정지해 있는 시스템에서만 그렇다. 따라서 다리골(Darrigol)에 따르면, 푸앵카레는 로런츠와 달리 1906년 이전에 동일한 해석을 사용하지 않았지만, 국소 시간을 길이 수축과 마찬가지로 물리적 효과로 이해했다. 그러나 나중에 아인슈타인 동기화라고 불리는 유사한 동기화 절차를 사용한 아인슈타인과 달리, 다리골은 푸앵카레가 에테르에 정지한 시계가 진정한 시간을 보여준다고 생각했다고 말한다.

그러나 처음에는 국소 시간이 현재 시간 팽창으로 알려진 것을 포함한다는 것이 알려지지 않았다. 이 효과는 라모르(1897)에 의해 처음으로 발견되었는데, 그는 "개별 전자들은 [에테르] 시스템에서 또는 비율로 더 짧은 시간에 해당 궤도의 일부를 묘사한다"고 썼다. 그리고 1899년에 로런츠도 진동하는 전자의 주파수에 대해 "S에서 진동 시간이 S0에서보다 배 더 길다"고 언급했는데, 여기서 S0는 에테르 프레임, S는 움직이는 관찰자의 수학적-가상 프레임, k는 이고, 는 미정 계수이다.

 로런츠 변환 

국소 시간이 v/c의 1차 항까지 음의 에테르 표류 실험을 설명할 수 있었지만, 트라우턴-노블 실험과 같은 다른 실패한 에테르 표류 실험 때문에 2차 효과를 포함하도록 가설을 수정할 필요가 있었다. 이에 대한 수학적 도구는 소위 로런츠 변환이다. 포크트(Voigt)는 1887년에 이미 유사한 방정식 집합을 도출했지만 (다른 스케일 인자를 사용했지만), 라모르(Larmor)는 1897년에, 로런츠는 1899년에 오늘날까지 사용되는 것과 대수적으로 동등한 형태의 방정식을 도출했지만, 로런츠는 그의 변환에 미정 인자 l을 사용했다. 그의 논문 어떤 속도로 움직이는 시스템에서의 전자기 현상 (1904)에서 로런츠는 분자 간의 모든 힘이 정전기력과 동일한 방식으로 로런츠 변환 (여기서 로런츠는 인자 l을 1로 설정했다)에 의해 영향을 받는 그러한 이론을 만들려고 시도했다. 즉, 로런츠는 지구와 에테르의 상대 운동이 (거의 또는 완전히) 감지할 수 없는 이론을 만들려고 시도했다. 따라서 그는 수축 가설을 일반화하고 전자 사이의 힘뿐만 아니라 전자 자체도 운동 방향으로 수축한다고 주장했다. 그러나 막스 아브라함 (1904)은 그 이론의 결함을 빠르게 지적했다. 순전히 전자기 이론 내에서는 수축된 전자 구성이 불안정하며, 전자를 안정화하기 위해 비전자기력을 도입해야 했다. 아브라함 자신은 로런츠 이론 내에서 그러한 힘을 포함할 가능성에 의문을 제기했다.

그래서 1905년 6월 5일에 푸앵카레가 이 문제를 해결하기 위해 소위 "푸앵카레 응력"을 도입했다. 이 응력은 그에 의해 외부의 비전자기 압력으로 해석되었는데, 이는 전자를 안정화하고 길이 수축에 대한 설명으로도 작용했다. 그는 로런츠가 상대성 원리를 준수하는 이론을 만드는 데 성공했다고 주장했지만, 로런츠의 전자기학 방정식이 완전히 로런츠 공변적이지 않다는 것을 보여주었다. 그래서 변환의 군 특성을 지적함으로써 푸앵카레는 맥스웰-로런츠 방정식의 로런츠 공변성을 시연하고 전하 밀도와 전류 밀도에 대한 로런츠의 변환 공식을 수정했다. 그는 변환과 호환될 수 있는 중력 모델 (중력파 포함)을 스케치했다. "로런츠 변환"이라는 용어를 처음 사용하고 오늘날까지 사용되는 형태를 부여한 것은 푸앵카레였다. (여기서 은 의 임의 함수이며, 군 특성을 보존하기 위해 1로 설정해야 한다. 그는 또한 빛의 속력을 1로 설정했다)

푸앵카레는 1905년 7월 23일에 상당히 확장된 연구(소위 "팔레르모 논문")를 제출했지만, 저널이 1년에 두 번만 발행되었기 때문에 1906년 1월에 출판되었다. 그는 문자 그대로 "상대성 원리"에 대해 이야기했으며, 변환이 최소 작용 원리의 결과임을 보여주었다. 그는 자신이 로런츠 군이라고 부르는 변환의 군 특성을 더 자세히 시연했으며, 의 조합이 불변임을 보여주었다. 중력 이론을 개발하면서 그는 로런츠 변환이 을 네 번째 가상의 좌표로 도입함으로써 원점을 중심으로 하는 4차원 공간의 단순한 회전임을 알아차렸고, 사차원 벡터의 초기 형태를 사용했다. 그러나 푸앵카레는 나중에 물리학을 4차원 기하학의 언어로 번역하는 것은 제한된 이득에 비해 너무 많은 노력이 필요하다고 말했으며, 따라서 이 개념의 결과를 연구하기를 거부했다. 그러나 이는 나중에 민코프스키에 의해 이루어졌다. "상대성 이론으로의 전환"을 참조하라.

 전자기 질량 

조지프 존 톰슨 (1881) 등은 전자기 에너지가 전하를 띤 물체의 질량에 만큼 기여하며, 이를 전자기 또는 "겉보기 질량"이라고 불렀다. 전자기 질량의 또 다른 유도는 푸앵카레 (1900)에 의해 수행되었다. 전자기장의 운동량을 사용하여, 그는 이러한 장이 모든 물체에 의 질량을 기여하며, 이는 질량 중심 정리를 구하기 위해 필요하다고 결론지었다.

톰슨 등이 언급했듯이, 이 질량은 속도에 따라 증가한다. 따라서 1899년에 로런츠는 움직이는 기준틀에서의 전자의 질량과 에테르 기준틀에서의 전자의 질량 비율이 운동 방향에 평행하게 이고, 운동 방향에 수직하게 이며, 여기서 이고 는 미정 계수라고 계산했다. 그리고 1904년에 그는 로 설정하여 다른 방향 (종 방향 및 횡 방향)의 질량에 대한 표현을 얻었다.

여기서

많은 과학자들은 이제 전체 질량과 모든 형태의 힘이 본질적으로 전자기적이라고 믿었다. 그러나 이 아이디어는 상대론적 역학의 발전 과정에서 포기되어야 했다. 아브라함(1904)은 (이전 섹션 #로런츠 변환에서 설명된 바와 같이) 로런츠의 전자 모델 내에서 비전기적 결합력이 필요하다고 주장했다. 그러나 아브라함은 전자기 질량이 에너지에서 계산되는지 또는 운동량에서 계산되는지에 따라 다른 결과가 발생한다는 점도 지적했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 푸앵카레는 1905년과 1906년에 비전기적 성질의 일종의 압력을 도입했는데, 이는 물체의 에너지에 만큼 기여하며, 따라서 전자기 질량-에너지 관계에서 4/3 계수를 설명한다. 그러나 푸앵카레의 전자의 에너지 표현은 정확했지만, 그는 오해하여 전자기 에너지만이 물체의 질량에 기여한다고 주장했다.

전자기 질량의 개념은 더 이상 질량 자체의 원인으로 간주되지 않는다. 왜냐하면 전체 질량 (전자기 부분뿐만 아니라)이 에너지에 비례하며, 아인슈타인의 질량-에너지 등가에 의해 설명되는 다른 형태의 에너지로 변환되고 다시 변환될 수 있기 때문이다.

 중력 
 로런츠의 이론 
1900년에 로런츠는 맥스웰 방정식에 기초하여 중력을 설명하려고 시도했다. 그는 먼저 르 사주 유형 모델을 고려하고, 매우 침투적인 전자기 복사로 구성된 보편적인 복사장이 존재할 수 있으며, 모든 물체에 균일한 압력을 가한다고 주장했다. 로런츠는 입사 에너지가 완전히 흡수된다고 가정하면 전하를 띤 입자들 사이에 실제로 인력이 발생할 것이라는 것을 보여주었다. 이것은 다른 르 사주 모델들을 괴롭혔던 것과 동일한 근본적인 문제였다. 왜냐하면 복사는 어떻게든 사라져야 하고 어떤 흡수도 엄청난 가열로 이어질 것이기 때문이다. 따라서 로런츠는 이 모델을 포기했다.

같은 논문에서 그는 오타비아노 파브리치오 모소티와 요한 프리드리히 쵤너처럼 반대 전하를 띤 입자들의 인력이 동일 전하를 띤 입자들의 반발력보다 강하다고 가정했다. 결과적인 순 힘은 정확히 보편 중력으로 알려져 있으며, 이 경우 중력의 속도는 빛의 속도와 같다. 이는 아이작 뉴턴의 중력 법칙과 충돌한다. 뉴턴의 법칙에서는 피에르 시몽 라플라스가 유한한 중력 속도가 일종의 수차를 초래하고 따라서 궤도를 불안정하게 만든다는 것을 보여주었다. 그러나 로런츠는 맥스웰 방정식의 구조 때문에 v2/c2 차수의 효과만 발생하므로 그의 이론이 라플라스의 비판에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 보여주었다. 그러나 로런츠는 수성의 근일점 이동 값이 너무 낮다고 계산했다. 그는 다음과 같이 썼다.

1908년에 푸앵카레는 로런츠의 중력 이론을 검토하고 상대성 원리와 호환된다고 분류했지만 (로런츠처럼) 수성의 근일점 이동에 대한 부정확한 지적을 비판했다. 푸앵카레와 달리 로런츠는 1914년에 자신의 이론이 상대성 원리와 호환되지 않는다고 간주하고 이를 거부했다.

 로런츠 불변 중력 법칙 
푸앵카레는 1904년에 중력의 전파 속도가 c보다 빠르면 국소 시간 개념과 상대성 원리에 모순된다고 주장했다. 그는 다음과 같은 내용을 이렇게 썼다.

그러나 1905년과 1906년에 푸앵카레는 중력 변화가 빛의 속도로 전파되고 로런츠 공변적인 중력 이론의 가능성을 지적했다. 그는 그러한 이론에서 중력은 질량과 그 상호 거리에만 의존하는 것이 아니라, 상호 작용의 유한한 전파 시간 때문에 그들의 속도와 위치에도 의존한다고 지적했다. 그 기회에 푸앵카레는 사차원 벡터를 도입했다. 푸앵카레에 이어 민코프스키(1908)와 아르놀트 조머펠트 (1910)도 로런츠 불변 중력 법칙을 정립하려고 시도했다. 그러나 이러한 시도는 아인슈타인의 일반 상대성이론 때문에 대체되었다. "상대성 이론으로의 전환"을 참조하라.

로런츠 에테르를 중력으로 일반화할 수 없다는 것은 시공간 해석을 선호하는 주된 이유였다. 중력으로의 실행 가능한 일반화는 2012년에 슈멜처(Schmelzer)에 의해 제안되었다. 선호되는 기준틀은 조화 좌표 조건에 의해 정의된다. 중력장은 로런츠 에테르의 밀도, 속도 및 응력 텐서에 의해 정의되어, 조화 조건이 연속성 및 오일러 방정식이 된다. 아인슈타인 등가원리가 유도된다. 강한 등가원리는 위반되지만, 일반 상대성이론의 아인슈타인 방정식을 조화 좌표에서 제공하는 극한에서 복구된다.

 원리 및 관례 
left|200px|섬네일|앙리 푸앵카레

 빛의 속도 불변성 
푸앵카레는 이미 시간 측정에 관한 철학적 저술(1898)에서 올레 뢰머와 같은 천문학자들이 빛의 속도를 결정할 때 단순히 빛이 일정한 속도를 가지며, 이 속도가 모든 방향에서 동일하다고 가정한다고 썼다. 이 가설 없이는 뢰머가 목성 위성 관측을 바탕으로 빛의 속도를 추론할 수 없었을 것이다. 푸앵카레는 뢰머가 또한 목성의 위성들이 중력 법칙을 포함한 뉴턴의 법칙을 따른다고 가정해야 했다고 지적했으며, 만약 우리가 다른 (아마도 더 복잡한) 운동 법칙을 가정한다면 동일한 관측을 다른 빛의 속도와 조화시킬 수 있을 것이라고 말했다. 푸앵카레에 의하면, 이것은 우리가 역학 법칙을 가능한 한 간단하게 만들기 위해 빛의 속도에 대한 값을 채택한다는 것을 보여준다. (이것은 푸앵카레의 규약주의 철학의 한 예이다.) 푸앵카레는 또한 빛의 전파 속도가 공간적으로 분리된 사건들 사이의 동시성을 정의하는 데 사용될 수 있으며 (실제로 자주 사용된다)고 지적했다. 그러나 그 논문에서 그는 이러한 "관례"를 여러 상대적으로 움직이는 기준계에 적용하는 결과를 논의하지는 않았다. 이 다음 단계는 푸앵카레가 1900년에 지구의 기준계에서 광신호에 의한 동기화가 로런츠의 국소 시간으로 이어진다는 것을 인식했을 때 이루어졌다. (위의 "국소 시간" 항목을 참조) 1904년에 푸앵카레는 다음과 같은 내용을 이렇게 썼다.

 상대성 원리 
1895년 푸앵카레는 마이컬슨-몰리 실험과 같은 실험들이 물질의 절대 운동이나 에테르에 대한 물질의 상대 운동을 감지하는 것이 불가능해 보인다는 것을 보여준다고 주장했다. 그리고 대부분의 물리학자들이 다른 견해를 가졌음에도 불구하고, 푸앵카레는 1900년에 자신의 의견을 고수하며 "상대 운동 원리"와 "공간의 상대성"이라는 표현을 번갈아 사용했다. 그는 로런츠가 여러 가설을 연이어 만들기보다는 어떤 에테르 표류도 없는 것을 설명하는 더 근본적인 이론을 만드는 것이 더 좋았을 것이라고 비판했다. 1902년에 그는 처음으로 "상대성 원리"라는 표현을 사용했다. 1904년에 그는 국소 시간과 같은 가설의 도움으로 그가 "상대성 원리"라고 부르는 것을 구원한 수학자들의 작업을 높이 평가했지만, 그는 이 시도가 가설의 축적으로만 가능했다고 고백했다. 그리고 그는 이 원리를 다음과 같이 정의했다(밀러에 따르면 로런츠의 대응 상태 정리에 기반하여).

1900년 푸앵카레의 비판에 대해 로런츠는 1904년 자신의 유명한 논문에서 대응 상태 정리를 확장하면서 다음과 같이 썼다.

로런츠의 논문에 대한 첫 번째 평가 중 하나는 1905년 5월 폴 랑주뱅에 의해 이루어졌다. 그에 따르면, 로런츠와 라모르의 전자 이론의 확장은 "지구의 병진 운동을 증명하는 물리적 불가능성"으로 이어졌다. 그러나 푸앵카레는 1905년에 로런츠의 1904년 이론이 로런츠의 전류 밀도 표현과 같은 몇 가지 방정식에서 완벽하게 "로런츠 불변"이 아니라는 것을 알아차렸다 (로런츠는 1921년에 이것들이 결함이었음을 인정했다). 이는 로런츠의 작업에 약간의 수정만 필요했기 때문에, 푸앵카레도 로런츠가 자신의 이론을 상대성 원리와 조화시키는 데 성공했다고 주장했다. "지구의 절대 운동을 증명하는 불가능성은 자연의 일반적인 법칙으로 보인다. [...] 로런츠는 절대 운동을 결정하는 완전한 불가능성이라는 가설과 일치시키기 위해 자신의 가설을 보완하고 수정하려고 노력했다. 그는 그의 기사 '빛의 속도보다 작은 임의의 속도로 움직이는 시스템의 전자기 현상' [로런츠, 1904b]에서 성공했다."

그의 팔레르모 논문(1906)에서 푸앵카레는 이를 "상대성 원리"라고 불렀으며, 비록 이 원리가 언젠가는 반증될 수 있을 가능성이 있다고 진술했지만 (실제로 그는 논문 끝에서 폴 울리히 빌라르 (1904)에 의한 자성 음극선의 발견이 이를 위협하는 것으로 보인다고 언급했다), 그는 상대성 원리가 제한 없이 유효하다고 가정할 경우의 결과를 고려하는 것이 흥미롭다고 믿었다. 이는 자연의 모든 힘 (전자기력뿐만 아니라)이 로런츠 변환에 대해 불변해야 한다는 것을 의미할 것이다. 1921년에 로런츠는 푸앵카레가 상대성 원리와 가설을 정립한 공로를 인정하며 다음과 같이 썼다. "나는 상대성 원리를 엄격하고 보편적으로 참이라고 정립하지 않았다. 반면에 푸앵카레는 전자기 방정식의 완벽한 불변성을 얻었고, '상대성 가설'을 공식화했는데, 그는 이 용어들을 처음으로 사용했다."

 에테르 
푸앵카레는 1889년 그의 규약주의 철학적 의미로 다음과 같이 썼다.

푸앵카레는 또한 1901년에 다음과 같이 말하면서 절대 공간과 시간의 존재를 부정했다.

하지만 푸앵카레 자신은 에테르 가설을 결코 포기하지 않았고 1900년에 다음과 같이 언급했다.

푸앵카레는 또한 에테르가 로런츠의 이론을 뉴턴의 제3법칙과 조화시키는 데 필요하다고 말했다. 심지어 1912년 "양자론"이라는 논문에서 푸앵카레는 "에테르"라는 단어를 열 번 사용했고, 빛을 "에테르의 빛나는 진동"이라고 묘사했다. 그리고 푸앵카레는 공간과 시간의 상대적이고 관례적인 성격을 인정했지만, 고전적인 관례가 더 "편리하다"고 믿었고 에테르의 "진정한" 시간과 움직이는 시스템의 "겉보기" 시간을 계속 구별했다. 공간과 시간의 새로운 관례가 필요한지에 대한 질문에 대해 푸앵카레는 1912년에 다음과 같은 내용을 남겼다.

로런츠 또한 일생 동안 모든 기준틀 중에서 에테르가 정지해 있는 기준틀이 선호되어야 한다고 주장했다. 이 기준틀의 시계는 "실제" 시간을 보여주며 동시성은 상대적이지 않다. 그러나 상대성 원리의 정확성이 받아들여진다면, 실험을 통해 이 시스템을 찾는 것은 불가능하다.

 상대성 이론으로의 전환 
섬네일|left|알베르트 아인슈타인

 특수 상대성이론 

1905년에 알베르트 아인슈타인은 현재 특수 상대성이론이라고 불리는 논문을 발표했다. 이 논문에서 아인슈타인은 물리 이론에 사용되는 공간 및 시간 좌표의 근본적인 의미를 검토함으로써 로런츠 변환에 의해 주어진 "유효" 좌표가 사실은 상대적으로 움직이는 기준틀의 관성 좌표임을 보여주었다. 이로부터 로런츠 에테르 이론의 모든 물리적으로 관측 가능한 결과와 기타 결과들이, 관측 불가능한 실체(에테르)를 가정할 필요 없이 도출되었다. 아인슈타인은 경험에 기반을 둔 두 가지 근본 원리를 식별했으며, 이로부터 로런츠의 전자기학 전체가 따른다.

이 두 가설은 (공간의 등방성 및 균일성과 같은 몇 가지 다른 묵시적인 가정과 함께) 특수 상대성이론의 수학으로 고유하게 이어진다. 로런츠와 푸앵카레도 최종 결과를 얻기 위해 이러한 동일한 원리를 필요하다고 받아들였지만, 그것들이 또한 충분하다는 것을 인식하지 못했고, 따라서 로런츠의 초기 유도에 내재된 다른 모든 가정들(이들 중 많은 부분이 나중에 부정확한 것으로 판명되었다)을 불필요하게 만들었다는 것을 인식하지 못했다. 따라서 특수 상대성이론은 물리학자들 사이에서 매우 빠르게 광범위한 수용을 얻었고, 19세기 발광 에테르 개념은 더 이상 유용하다고 간주되지 않았다.

푸앵카레 (1905)와 헤르만 민코프스키 (1905)는 특수 상대성이론이 피타고라스 정리의 확장을 통해 절대 간격이 주어지는 통일된 4차원 "시공간"의 관점에서 매우 자연스러운 해석을 가지고 있다는 것을 보여주었다. 시공간 표현의 유용성과 자연스러움은 특수 상대성이론의 빠른 수용과 로런츠의 에테르 이론에 대한 관심 상실에 기여했다.

1909년과 1912년에 아인슈타인은 다음과 같이 설명했다.

1907년에 아인슈타인은 로런츠의 전자 이론에서 로런츠의 수축 가설의 "애드혹"적 성격을 비판했다. 그에 따르면 이는 마이컬슨-몰리 실험이 로런츠의 정지 에테르와 상대성 원리에 부합하도록 만들기 위한 인위적인 가정이었다. 아인슈타인은 로런츠의 "국소 시간"은 단순히 "시간"이라고 불릴 수 있으며, 전자기학의 이론적 기초로서 정지 에테르는 만족스럽지 못하다고 진술했다. 그는 1920년에 다음과 같이 썼다.

민코프스키는 로런츠의 수축 가설 도입이 "환상적"이라고 주장했는데, 이는 에테르의 저항의 산물이 아니라 "하늘이 내린 선물"이기 때문이라고 했다. 그는 이 가설이 "새로운 공간과 시간 개념과 완전히 동등하다"고 말했지만, 새로운 시공간 기하학의 틀에서 훨씬 더 이해하기 쉬워진다고 덧붙였다. 그러나 로런츠는 그것이 "애드혹"적이라는 주장에 동의하지 않았고, 1913년에는 그의 이론과 아인슈타인과 민코프스키의 이론처럼 선호되는 기준틀을 부정하는 것 사이에 큰 차이가 없으므로, 어떤 이론을 선호하는지는 취향의 문제라고 주장했다.

 질량-에너지 등가 
아인슈타인 (1905)은 상대성 원리의 결과로 에너지의 관성이 실제로 로 표현된다는 것을 도출했지만, 푸앵카레의 1900년 논문과 달리 아인슈타인은 물질 자체가 방출 또는 흡수 중에 질량을 잃거나 얻는다는 것을 인식했다. 따라서 모든 형태의 물질의 질량은 다른 형태의 에너지로 변환되고 다시 변환될 수 있는 특정 양의 에너지와 같다. 이것이 로 표현되는 질량-에너지 등가이다. 따라서 아인슈타인은 "가상의" 질량을 도입할 필요가 없었으며, 영구 기관 문제도 피했다. 왜냐하면 다리골(Darrigol)에 따르면, 푸앵카레의 복사 역설은 아인슈타인의 등가 원리를 적용함으로써 간단히 해결될 수 있기 때문이다. 광원이 방출 중에 만큼 질량을 잃는다면, 에테르에서 어떤 보상 효과도 필요 없이 운동량 법칙의 모순이 사라진다.

푸앵카레와 유사하게, 아인슈타인은 1906년에 (전자기) 에너지의 관성이 전자기장과 물질이 서로 작용하는 시스템에서 질량 중심 정리가 성립하기 위한 필수 조건이라고 결론지었다. 질량-에너지 등가에 기초하여 그는 전자기 복사의 방출 및 흡수, 그리고 따라서 관성의 전달이 모든 문제를 해결한다는 것을 보여주었다. 그 자리에서 아인슈타인은 푸앵카레의 1900년 논문을 언급하며 다음과 같은 내용을 이렇게 썼다.

또한 푸앵카레가 질량 보존 법칙 위반으로 인해 반응 원리를 거부한 것도 아인슈타인의 를 통해 피할 수 있다. 왜냐하면 질량 보존은 에너지 보존 법칙의 특수한 경우로 나타나기 때문이다.

 일반 상대성이론 

로런츠와 푸앵카레 (그리고 아브라함, 군나르 노르드스트룀과 같은 다른 시도)의 중력 이론을 공식화하려는 시도는 아인슈타인의 일반 상대성이론에 의해 대체되었다. 이 이론은 등가원리, 일반 상대성 원리, 일반 공변성 원리, 측지선 운동, 국소 로런츠 공변성 (특수 상대성이론의 법칙은 모든 관성 관찰자에게 국소적으로 적용된다) 및 시공간 곡률이 시공간 내의 응력-에너지에 의해 생성된다는 원리들에 기반을 두고 있다.

1920년에 아인슈타인은 로런츠의 에테르를 일반 상대성이론의 "중력 에테르"와 비교했다. 그는 움직이지 않는 것이 로런츠에 의해 에테르에서 박탈되지 않은 유일한 역학적 특성이었지만, 발광 에테르 및 로런츠 에테르와 달리 일반 상대성이론의 에테르는 움직이지 않음조차 포함하여 어떤 역학적 특성도 가지고 있지 않다고 말했다.

 우선권 
일부에서는 푸앵카레와 로런츠가 아인슈타인이 아니라 특수 상대성이론의 진정한 창시자라고 주장한다. 더 자세한 내용은 이 논쟁에 대한 문서를 참조하라.

 후기 활동 
초등 입자 이론으로 간주될 때, 로런츠의 전자/에테르 이론은 20세기 초 몇 십 년 동안 먼저 양자 역학에 의해, 그 다음에는 양자장 이론에 의해 대체되었다. 역학의 일반 이론으로서, 로런츠와 푸앵카레는 이미 (대략 1905년경) 사용 가능한 모든 경험적 데이터와 이론을 일치시키기 위해 상대성 원리 자체를 호출할 필요성을 발견했다. 이 시점에서 실질적인 에테르의 대부분의 흔적은 로런츠의 "에테르" 이론에서 제거되었고, 이론은 경험적으로나 연역적으로 특수 상대성이론과 동등해졌다. 주된 차이점은 독특한 절대 정지 기준틀이라는 형이상학적 가설이었는데, 이는 경험적으로 감지할 수 없었고 이론의 물리적 예측에 어떤 역할도 하지 않았다. 로런츠는 1909년, 1910년 (1913년 출판), 1913년 (1914년 출판), 또는 1912년 (1922년 출판)에 썼다.

결과적으로 "로런츠 에테르 이론"이라는 용어는 오늘날 특수 상대성이론의 신로런츠적 해석을 지칭하는 데 사용된다. "신(neo)"이라는 접두사는 이 해석이 이제 로런츠 시대에는 알려지지 않았던 물리적 실체와 과정(예: 양자장론의 표준 모형)에 적용되어야 한다는 사실을 인식하기 위해 사용된다.

특수 상대성이론의 등장 이후, 소수의 개인들만이 로런츠의 물리학적 접근법을 옹호했다. 이들 중 많은 사람들, 예를 들어 (G. R. Stilwell과 함께 시간 팽창의 첫 실험적 확인을 수행한) Herbert E. Ives는 특수 상대성이론이 논리적으로 일관되지 않으므로 상대론적 현상을 조정하기 위해 다른 개념적 틀이 필요하다는 믿음에 동기가 부여되었다. 예를 들어, 이브스는 "빛 속도 불변의 '원리'는 단순히 '이해할 수 없는' 것이 아니라, '객관적인 사실'에 의해 뒷받침되지 않으며, 지지될 수 없다..."고 썼다. 그러나 특수 상대성이론의 논리적 일관성 (및 그 경험적 성공)은 잘 확립되어 있으므로, 그러한 개인들의 견해는 주류 과학 공동체 내에서 근거 없는 것으로 간주된다.

존 스튜어트 벨은 먼저 단일 로런츠 관성 틀의 관점에서 특수 상대성이론을 가르친 다음, 맥스웰 방정식과 같은 물리 법칙의 푸앵카레 불변성이 특수 상대성이론을 가르치는 데 자주 사용되는 틀 변경 인수와 동등함을 보여주라고 주장했다. 단일 로런츠 관성 틀은 선호되는 틀의 한 종류이기 때문에, 그는 이 접근법을 로런츠 정신에 입각한 것이라고 불렀다.

또한 일부 특수 상대성이론의 시험 이론은 로런츠적 틀을 사용한다. 예를 들어, 로버트슨-만수리-섹슬 시험 이론은 선호되는 에테르 틀을 도입하고 길이 및 시간 변화의 다양한 조합을 나타내는 매개변수를 포함한다. 에테르에서 움직이는 물체의 시간 팽창과 길이 수축이 정확한 상대론적 값을 가지면, 완전한 로런츠 변환을 유도할 수 있으며 에테르는 어떤 관측에서도 숨겨져 특수 상대성이론의 예측과 운동학적으로 구별할 수 없게 된다. 이 모델을 사용하여 마이컬슨-몰리 실험, 케네디-손다이크 실험, 이브스-스틸웰 실험은 로런츠 불변성 위반에 대한 강력한 제약을 가한다.

 각주 

다른 많은 저자의 출처가 포함된 더 완전한 목록은 특수 상대성이론의 역사#참고 문헌을 참조.

 로런츠, 푸앵카레, 아인슈타인, 민코프스키의 작품 (그룹 A) 

 Preface partly reprinted in "과학과 가설", Ch. 12.

. Reprinted in Poincaré, Oeuvres, tome IX, pp. 395–413

. Reprinted in "Science and Hypothesis", Ch. 9–10.

. See also the 영어 번역.

. Reprinted in "Science and Hypothesis", Ch. 6–7.

 Reprinted in Poincaré 1913, Ch. 6.

. See also: 영어 번역.

. English Translation: 

 보조 자료 (그룹 B) 

In English: 

 기타 내용주 및 주석 (그룹 C) 

 외부 링크 

 Mathpages: Corresponding States, The End of My Latin, Who Invented Relativity?, Poincaré Contemplates Copernicus, Whittaker and the Aether, Another Derivation of Mass-Energy Equivalence

분류:특수 상대성이론
분류:헨드릭 로런츠