마이켈슨 몰리 실험 (에테르 존재 관련)

에테르 (Aether or Ether)

역학적인 파동(wave)은 매질(medium)이 진동을 하면서 진행되는데요, 그렇기 때문에 매질에 따라 파동의 진행 속력이 다르게 나타나게 됩니다. 이에 따라 19세기 과학자들은 전자기파인 빛 역시 전달 매개체인 매질이 있을 것이라고 생각을 하였습니다. 그리고 빛을 전파시킨다고 생각한 가상의 물질이 바로 에테르(aether)였고요.

 

만약에 흐르는 강물에 배가 띄워져 있다고 생각을 해본다면 강물이 흘러가는 방향을 따라 내려가는 배와 강물의 흐름을 거슬러 올라가는 배 사이에 속력의 차이가 발생하게 될 텐데요, 이러한 부분에 착안하여 만약에 에테르가 존재한다면 지구와 태양의 움직임으로 인해 에테르의 흐름이 생기고 이에 따라 빛이 진행하는 방향에 따라서 속력이 달라질 것이라는 생각에 이르게 됩니다. 그리고 알버트 마이켈슨과 에드워드 몰리는 1887년, 물리학의 역사상 가장 중요한 실험 중 하나를 하게 됩니다.

 

에테르 바람 (Aether wind), 태양과 지구의 움직임으로 인해 빛의 매질인 에테르의 흐름이 발생, 이미지 출처: wikipedia.org

 

 

 

마이켈슨 몰리 실험 (Michelson-Morley Experiment)

 

마이켈슨 몰리 실험 장치

가상의 매질인 에테르의 흐름에 따라 빛의 속력에 차이가 생길 것이라는 기본 가정을 증명하기 위해서 마이켈슨과 몰리가 구상한 실험 장치는 아래와 같습니다. 광원에서 방출된 빛이 반거울(half mirror, 빛의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 거울)을 통해 수직으로 나뉘어서 진행이 된 후, 반거울로부터 같은 거리에 있는 두 거울에 반사되어 다시 반거울을 통해 빛 검출기로 들어오게 되는 실험 장치가 만들어진 것입니다. 아래 실험 장치 이미지를 보면 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.

 

마이켈슨-몰리 실험 장치, 이미지 출처: britannica.com

 

 

에테르의 흐름에 따라서 빛의 속력이 다르다는 가정이 맞다면 검출기에 도달하는 빛에 시간차가 생기게 될 것입니다. 실제로 이렇게 측정이 되면 빛을 전파시키는 가상의 매질인 에테르의 존재가 확인이 되겠죠.

 

마이켈슨 몰리 실험 결과와 해석

광원에서 출발한 빛이 수직으로 나뉘어 두 경로로 진행한 다음에 (위의 이미지에 A와 B) 각 거울에서 반사가 되고 다시 반거울로 돌아와서 각각 반사되는 부분과 투과되는 부분이 검출기로 돌아오게 되는데 이때 시간 차이가 발생한다면 에테르가 존재한다는 것이 증명이 되는 것입니다. 하지만, 실험 결과는 각 거울에서 반사되어 돌아온 빛이 시간 차이가 없이 동시에 빛 검출기에 도달을 하였습니다. 에테르의 존재가 확인되지 않은 것이죠.

 

이후 실험 결과에 대한 여러 해석이 있었고 오차에 대한 검토들도 이루어졌으나 현재는 에테르가 존재하지 않기 때문에 빛은 파동이지만 매질이 없어도 전달이 될 수 있다는 것과 언제나 같은 속력으로 진행한다는 것으로 정리가 되었습니다. 그리고 이것은 아인슈타인의 특수 상대성 이론이 시작되는 밑바탕이 됩니다.

 

아인슈타인의 특수 상대성 이론의 바탕이 되는 두 가지 가설(가정)인 상대성 원리와 광속 불변 원리는 아래 링크를 참조하시면 됩니다.

 

2024.03.12 - [과학] - 특수 상대성 이론의 두 가지 가정에 대해

특수 상대성 이론의 두 가지 가정에 대해