마이컬슨-몰리 실험

1887년 논문

상대성 이론 Theory of Relativity
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1. 개요2. 상세3. 해석4. 현대에서5. 문화

1. 개요

The Michelson-morley

마이컬슨 간섭계를 사용하여 진행한 실험.

빛이라는 파동 [1]을 전달하는 가상의 매질인 에테르의 실존을 밝히기 위해 진행됐다. 하지만 결과적으로 에테르의 존재를 부정하는 실험이 되어버렸다고 알려져있다.

2. 상세

이 실험이 실시되었을 당시에는 모든 파동은 이를 전달하기 위한 매질이 필요하다고 생각되었다. 소리도 공기라는 매질이 있어야 전달이 되며, 공기가 없는 진공에서는 전달되지 않는다. 같은 이유로, 빛 역시 이를 전달하는 매질이 있을 것이라고 추측하였고, 이를 '에테르'라고 불렀다.

만약 우주의 빈 공간이 미지의 매질인 에테르로 채워져 있다면 태양 주위를 공전하는 지구는 '에테르의 바다'를 헤엄치듯이 공전을 한다고 볼 수 있다. 따라서 지구는 공전 중에 에테르의 '바람'을 맞고 있을 것이고, 따라서 지표에서 관찰하는 빛의 속도는 동서남북 방향에 따라서 달라야 할 것이다. 마이컬슨-몰리 실험은 이런 차이가 존재할 것이라고 가정하여 진행이 이루어졌다. 실험의 고안자 중 한 명인 마이컬슨은 이를 측정하기 위해서 마이컬슨 간섭계라는 것을 만들었다.

그러나, 마이컬슨-몰리 실험에서 빛의 속도는 모든 방향에 대해서 일정한 것으로 나타났다. 측정 장치의 정밀도가 충분히 높지 않아서 측정하지 못한 것은 아니었냐는 추측도 있지만, 이론상 도출되었어야 할 차이값은 당시의 정밀도로도 충분히 측정 가능한 수준이었다. 오히려 마이컬슨 간섭계는 워낙 정밀한 측정기구라 현재까지도 사용할 정도다.

다양한 방법으로 매질(에테르)가 측정되지 않은 이유를 검토해 보았으나, 아무리 생각해봐도 실험 결과로부터 도출되는 합리적인 결론은 빛이 진행하기 위해 매질이 필요하지 않다. 였다. 즉, 에테르가 존재한다는 주장이 이 실험 때문에 반증되었다. 본래 이 실험은 에테르의 존재를 검증하려는 것이었으나 현실은 거꾸로 에테르의 존재를 부정하는 실험이 되어버렸다. 결론적으로, 소리가 공기라는 매질을 필요로 하는 것과는 달리 빛은 매질을 필요로 하지 않는다.

3. 해석

이 실험은 빛의 속력이 전달방향에 무관하다는 사실을 말해준다. 빛의 매질, 즉 에테르라는 것이 존재한다면, 에테르가 정지한 좌표계에서는 빛의 속력이 언제나 같으므로 마이컬슨 본인은 에테르가 지구에 끌려다니는 것이라고 해석했다. 그렇다면 지상에 정지한 좌표계는 언제나 에테르에 대해 정지해 있으므로 일단 이 실험 결과를 설명할 수 있다. 그러나, 에테르가 이끌린다는 이론은 이미 광행차 현상, 빛의 상대속도에 대한 피조의 실험 등에 의해 반박된 바 있어 주류설은 되지 못했다.

이에 대한 가장 주목할 만한 설명은 1889년 피츠제럴드, 그리고 1892년 로런츠가 독립적으로 제시한 길이 수축 가설이다. 이들은 물체가 에테르에 대하여 운동할 경우 물체와 에테르가 모종의 역학적 상호작용을 하여 운동방향으로 길이가 [math(\displaystyle \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}})] 배로 수축하며(여기에서 [math(v)]는 에테르에 대한 물체의 속력, [math(c)]는 에테르에 대한 빛의 속력이다.) 따라서 빛의 방향에 따른 속력차가 상쇄된다고 가정하였다. 이 가설은 아주 파격적이었으나 몇 가지 개념적(인식론적)인 문제가 지적되었다. 에테르의 상대속도를 검출할 방법이 없다면, 에테르에 대한 물체의 속도를 알 방법이 없다는 것이 대표적이다.

알베르트 아인슈타인이 1905년에 제안한 특수 상대성 이론은 이러한 결함을 제거하는 데 성공하였다. 아인슈타인은 애초에 에테르의 존재가 불필요하다고 지적하고, 관성 좌표계 사이의 모든 개념적 위계를 제거하여 비로소 상대성 원리가 인식론적으로 만족스럽게 만들었다. 여기에서는 길이 수축까지 갈 것도 없이 절대 속도가 존재하지 않으므로 지상에서의 모든 실험 결과가 에테르에 대한 정지계에서 수행한 것과 일치할 수밖에 없다고 매우 간단하게 설명할 수 있다. 길이 수축은 다른 관성계에서 실험 결과를 설명하기 위해 필요한 개념이다. 이 실험이 에테르의 존재를 부정한 것으로 알려진 것은 특수 상대성 이론의 영향이 크다. 참고로, 아인슈타인이 이 이론을 구상할 당시에는 이 실험의 존재를 잘 모르고 있었거나, 간접적으로만 영향을 받았다고 알려져 있다.

마이컬슨은 프로이센에서 태어난 폴란드계 유태인이다. 하지만 미국해군사관학교를 졸업하고 1차 세계대전에도 미군 장교로 참전한 이력이 있기 때문에 국적 정체성은 미국인에 더 가까웠다. 그래서 마이컬슨은 보통 미국 과학자로 여겨지며, 미 해사에는 마이컬슨-몰리 실험 기념물도 만들어져 있다. 마이컬슨은 이 실험을 공로로 과학부분에서 1907년 노벨물리학상을 수상했다.

4. 현대에서

대부분의 공과대학이나 자연과학대학에서는 1학년 물리실험에서 마이컬슨 간섭계를 이용하여 빛의 간섭을 측정한다. 현대에서 이렇게 전공기초적인 실험계는 이후 미국에서 스케일이 더욱 커져서 아인슈타인이 예견한 중력파를 발견하게 된다.

또한 매우 측정하기 힘든 나노미터급 계측을 광학적으로 계측하는 데에도 사용된다.

5. 문화

1987년은 마이컬슨과 몰리가 마이컬슨-몰리 실험을 한 지 100주년이 되는 해였다. 이 뜻깊은 해를 맞이하여, 마이컬슨-몰리 100주년 기념 행사 위원회가 조직됐고 이 위원회는 미국의 현대음악 작곡가 필립 글래스에게 기념 작품을 위촉했다. 그 결과, 필립 글래스가 빛(필립 글래스), 즉 The Light라는 관현악곡을 작곡했다.

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[1] 현재는 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는다는 것이 알려져 있지만, 아인슈타인이 광전효과를 확인하기 전까지는 파동이라고 알려져 있었다.