[논문 리뷰] Albert Einstein and the Fizeau 1851 Water Tube Experiment

Galina Weinstein|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 16.

History and Developments in Astronomy참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 알베르트 아인슈타인이 1851년 피조의 물통 실험과 그가 특수 상대성 이론을 발전시키는 데 미친 영향을 조사한다. 아인슈타인이 1905년 논문에서 피조의 실험을 인용하지 않았지만, 이후에 그 실험이 특별히 중요한 영향을 미쳤다고 인정했으며, 항성의 비틀림 현상과 함께 핵심적 영향을 미쳤다고 밝혔다. 또한 1907년 이후에 막스 라우의 상대론적 유도 방식을 채택하여, 이전에 로렌츠의 1895년 에테르 기반 유도 방식에 의존하던 방식을 대체했다.

ABSTRACT

In 1895 Hendrik Antoon Lorentz derived the Fresnel dragging coefficient in his theory of immobile ether and electrons. This derivation did not explicitly involve electromagnetic theory at all. According to the 1922 Kyoto lecture notes, before 1905 Einstein tried to discuss Fizeau's experiment "as originally discussed by Lorentz" (in 1895). At this time he was still under the impression that the ordinary Newtonian law of addition of velocities was unproblematic. In 1907 Max Laue showed that the Fresnel dragging coefficient would follow from a straightforward application of the relativistic addition theorem of velocities. This derivation is mathematically equivalent to Lorentz's derivation of 1895. From 1907 onwards Einstein adopted Laue's derivation. When Robert Shankland asked Einstein how he had learned of the Michelson-Morley experiment, Einstein told him that he had become aware of it through the writings of Lorentz, but only after 1905 had it come to his attention. "Otherwise", he said, "I would have mentioned it in my paper". He continued to say that the experimental results which had influenced him most were stellar aberration and Fizeau's water tube experiment. "They were enough". Indeed the famous Michelson-Morley experiment is not mentioned in the 1905 relativity paper; but curiously Einstein did not mention Fizeau's experimental result either, and this is puzzling in light of the importance of the experiment in Einstein's pathway to his theory. In this paper I try to discuss this question.

연구 동기 및 목표

• 아인슈타인이 1905년 특수 상대성 이론 논문에서 피조의 1851년 물통 실험을 인용하지 않았음에도 불구하고 그 실험이 그의 지적 발전 과정에서 핵심적인 역할을 했던 이유를 조사하는 것.
• 아인슈타인이 레이저의 1895년 에테르 기반 유도 방식에서 1907년 라우의 상대론적 공식화로 이르기까지 프레넬의 끌개 계수에 대한 이해의 변화 과정을 명확히 하는 것.
• 특히 1922년 교토 강연 노트와 로버트 샤프랜드와의 대화에서 아인슈타인이 자신의 이론 발전에 가장 영향을 미친 실험을 어떻게 회상했는지 분석하는 것.
• 피조의 실험이 아인슈타인에게 매우 중요했음에도 불구하고 그의 유명한 1905년 논문에서 생략된 이유라는 역사적 역설을 해결하는 것.
• 피조의 실험, 로렌츠의 이론, 아인슈타인이 끝내 라우의 상대론적 유도를 수용한 과정 사이의 지적 연속성을 확립하는 것.

제안 방법

• 아인슈타인의 1922년 교토 강연 노트와 1950년대 로버트 샤프랜드와의 대화를 포함한 원천 자료 분석.
• 전자 이론 이전이었고 정지된 에테르와 전자 이론에 기반한 로렌츠의 1895년 프레넬 끌개 계수 유도 분석.
• 로렌츠의 1895년 유도와 막스 라우의 1907년 상대론적 유도를 상대론적 속도 덧셈 정리에 기반해 비교.
• 1905년 이전 아인슈타인이 뉴턴적 속도 덧셈을 사용해 피조의 실험을 해석하려던 對안의 시도를 중심으로 한 지적 발전 경로의 역사적 재구성.
• 기록 자료와 발표된 기억을 활용해 아인슈타인이 실험의 중요성에 대한 이해가 어떻게 변화해 온지를 추적하는 것.
• 아인슈타인이 영향력 있는 실험에 대해 한 진술들 — 특히 항성의 비틀림 현상과 피조의 실험 — 을 그의 발표된 저작과 서신과 대조하여 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아인슈타인이 1905년 특수 상대성 이론 논문에서 피조의 1851년 물통 실험을 언급하지 않았지만, 그가 지적 발전 과정에서 그 실험을 중심시켰던 이유는 무엇인가?
• RQ2 아인슈타인이 1905년 이전의 對안의 노력에서 로렌츠의 1895년 에테르 기반 유도 방식을 거쳐 1907년 라우의 상대론적 유도로 이르기까지 프레넬의 끌개 계수에 대한 이해가 어떻게 변화했는가?
• RQ3 피조의 실험 결과가 아인슈타인의 특수 상대성 이론 형성에 어떤 역할을 했는가? 그는 이후에 그 실험이 핵심적 영향을 미쳤다고 밝혔다.
• RQ4 아인슈타인이 마이클슨-모리건 실험은 1905년 이후에나 알게 되었다고 주장한 반면, 피조의 실험은 이전에 이미 영향을 미쳤다고 한 이유는 무엇인가?
• RQ5 로렌츠의 1895년 유도와 라우의 1907년 상대론적 유도가 수학적으로 동치임을 고려할 때, 아인슈타인이 왜 결국 후자를 수용하게 되었는가?

주요 결과

• 아인슈타인은 1905년 상대성 이론 논문에서 피조의 1851년 물통 실험을 언급하지 않았지만, 이후에 그 실험이 그의 사고에 중대한 영향을 미쳤다고 밝혔다.
• 1905년 이전, 아인슈타인은 뉴턴적 속도 덧셈을 사용해 피조의 실험을 해석하려 했으며, 이는 그가 상대론적 사고에 도달하기 이전의 이해 수준을 반영한다.
• 1907년 막스 라우는 상대론적 속도 덧셈 정리로부터 프레넬의 끌개 계수가 직접 유도됨을 보여주었으며, 이는 로렌츠의 1895년 접근 방식보다 수학적으로 동치이지만 개념적으로 더 일관된 유도였다.
• 1907년 이후 아인슈타인은 라우의 상대론적 유도를 수용하여 이전에 로렌츠의 에테르 기반 프레임워크에 의존하던 방식을 대체했다.
• 아인슈타인 자신의 기억에 따르면 항성의 비틀림 현상과 피조의 실험이 특수 상대성 이론 발전에 가장 큰 영향을 미친 실험 결과였다.
• 이 논문은 피조의 실험이 1905년 논문에서 생략된 역사적 역설을 해결하며, 아인슈타인이 그 실험에 대해 내면적으로 1905년 이전에 이미 깊이 관여했고, 따라서 최종 논문에선 이를 인용할 필요가 없다고 보는 것이 핵심임을 밝혀낸다.