아누스 미라빌리스 종이

안누스 미라빌리스 논문(라틴어 안누스 미라빌리스, "기적의 해")은 알버트 아인슈타인이 1905년 과학 학술지 물리연보(Annals of Physik)에 발표한 4개의 논문이다.이 네 편의 논문은 현대 물리학의 기초에 큰 기여를 했다.그들은 공간, 시간, 질량, 에너지의 기본 개념에 대한 과학의 이해를 혁신시켰다.아인슈타인이 이 놀라운 논문을 단 1년 만에 발표했기 때문에 1905년은 그의 연륜 미라빌리스(영어로 기적의 해, 독일어로는 분더자르)로 불린다.

첫 번째 논문은 아인슈타인에게 노벨 ^[1]물리학상을 수여하는 인용문에 언급된 유일한 구체적인 발견인 광전 효과를 설명했다.두 번째 논문은 브라운 운동을 설명했고, 이는 물리학자들로 하여금 원자의 존재를 받아들이도록 만들었다.세 번째 논문은 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 소개했다.네 번째는 특수상대성이론의 결과로서 질량-에너지 등가 원리를 발전시켰는데, 이는 유명한 $방정식{\displaystyle }$ E ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle {mc\mathrm{}}^{}}$2 ({$displaystyle$ E$=mc^{2}})$로 표현되어 원자력의 발견과 사용으로 이어졌다.양자역학 및 아인슈타인의 후기 일반 상대성 이론과 함께 이 네 개의 논문은 현대 물리학의 기초이다.

배경

논문들이 쓰여질 당시 아인슈타인은 Annalen der Physik에 대한 리뷰를 정기적으로 읽고 기고했지만 완전한 과학적 참고 자료에 쉽게 접근할 수 없었다.게다가, 그의 이론을 논할 수 있는 과학 동료들은 거의 없었다.그는 스위스 베른에 있는 특허청에서 심사관으로 일했고, 나중에 그곳의 동료인 미셸 베소에 대해 "모든 유럽에서 내 생각에 대해 이보다 더 좋은 의견을 낼 수 있는 게시판을 찾을 수 없었다"고 말했다.게다가, 동료들과 자칭 "올림피아 아카데미"의 다른 회원들(모리스 솔로빈과 콘라드 하비히트)과 그의 부인 밀레바 마리치는 아인슈타인의 작품에 어느 정도 영향을 끼쳤지만, 얼마나 많은 것들이 아인슈타인의 작품에 영향을 끼쳤는지는 불분명하다.^[2][3][4]

이 논문들을 통해 아인슈타인은 그 시대의 가장 중요한 물리 문제와 문제들을 다루었다.1900년 켈빈 경은 "열과 빛의 역학 이론 위의 19세기 구름"^[5]이라는 제목의 강연에서 물리학이 미셸슨-몰리 실험의 결과와 흑체 방사선에 대해 만족스러운 설명을 하지 못했다고 주장했다.소개한 바와 같이 특수상대성이론은 미셸슨-몰리 실험의 결과를 설명하였다.아인슈타인의 광전 효과에 대한 설명은 막스 플랑크가 흑체 복사에 대한 그의 성공적인 설명에서 발전시킨 양자 이론을 확장시켰다.

특수 상대성 이론과 같은 그의 다른 작품들에 의해 얻어진 더 큰 명성에도 불구하고,^[6] 1921년 그에게 노벨상을 안겨준 것은 광전 효과에 대한 그의 연구였다.노벨 위원회는 특수 상대성 이론의 실험적인 확인을 끈기 있게 기다렸으나, 아이브스와 스틸웰(1938년과^[8] 1941년^[7])과 로시와 홀(^[9]1941년)의 시간 연장 실험 때까지 아무 것도 다가오지 않았다.

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광전 효과

3월 18일 접수된 기사 "빛의 생산과 변환에 관한 휴리스틱 관점에 대하여"^{[einstein 1]}는 6월 9일에 발행된 "에너지 양자의 개념을 제안했다.막스 플랑크의 흑체 복사 법칙의 초기 도출에 의해 동기부여된 이 아이디어는 빛 에너지가 양자라고 불리는 분리된 양에서만 흡수되거나 방출될 수 있다고 가정합니다.아인슈타인은 말한다.

광선이 전파되는 동안 에너지는 지속적으로 증가하는 공간에 분산되지 않지만, 공간 내 각 지점에 위치하는 한정된 수의 에너지 양자로 구성되며, 분할 없이 이동하며 흡수되거나 실체로만 생성될 수 있다.

광전 효과를 설명할 때, 아인슈타인이 설명한 것처럼 에너지가 분리된 패킷으로 구성되어 있다는 가설은 흑체에도 직접적으로 적용될 수 있다.

광량자의 개념은 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 거동에 대한 방정식 그리고 더 일반적으로, 물리적 시스템에서 에너지의 무한 분배의 가정에 자연스럽게 따르는 빛의 파동 이론과 모순됩니다.

기체와 다른 생각할 수 있는 물체에 대해 물리학자들이 형성한 이론적인 개념과 소위 빈 공간에서의 전자기 과정에 대한 맥스웰의 이론 사이에는 심오한 형식적인 차이가 존재한다.우리는 물체의 상태가 정말로 매우 크지만 유한한 수의 원자와 전자의 위치와 속도에 의해 완전히 결정되는 것을 고려하는 동안, 우리는 공간의 부피의 전자기 상태를 결정하기 위해 연속적인 공간 기능을 사용합니다, 그래서 유한한 수의 양이 충분한 것으로 간주될 수 없습니다.공간의 전자기 상태를 완전히 파악합니다.

빛의 방출과 변환 현상에 적용하면 모순이 생깁니다.

입사광이 에너지 퀀텀으로 이루어진다는 관점에서 빛에 의한 음극선의 생성은 다음과 같이 생각할 수 있다.신체의 표면층은 에너지가 적어도 부분적으로 전자의 운동 에너지로 변환되는 에너지 양자에 의해 침투된다.가장 간단한 개념은 빛 양자가 에너지를 하나의 전자로 옮긴다는 것입니다...

아인슈타인은 광전 효과는 파장과 빛의 주파수에 따라 달라진다고 언급했다.너무 낮은 주파수에서는 강한 빛조차도 전자를 생성하지 않았다.하지만, 일단 특정 주파수에 도달하면, 심지어 낮은 강도의 빛도 전자를 생성했다.그는 이를 hf가 주는 에너지 패킷에서만 빛이 방출될 수 있다는 플랑크의 가설과 비교했다. 여기서 h는 플랑크의 상수이고 f는 주파수이다.그리고 그는 에너지가 주파수에 따라 달라지는 패킷으로 빛이 이동하기 때문에 특정 주파수 이상의 빛만이 전자를 방출하기에 충분한 에너지를 가져올 것이라고 가정했다.

실험을 통해 아인슈타인의 광전 효과 방정식이 정확하다는 것을 확인한 후에도 그의 설명은 보편적으로 받아들여지지 않았다.닐스 보어는 1922년 노벨상 연설에서 "빛 양자의 가설은 방사선의 성질을 밝힐 수 없다"고 말했다.

1921년 아인슈타인이 노벨상을 수상하고 광전기에 관한 그의 업적이 표창장에 이름이 언급되었을 때, 일부 물리학자들은 방정식 (${\displaystyle h}$ f ${\displaystyle =\mathrm{\delta }}$ + ${\displaystyle E_{}}$ k$$\ $displaystyle hf$= \ $Phi$+$E_{k$ )이 정확하고 광량자가 가능하다는 것을 받아들였다.1923년에 Arthur Compton의 X선 산란 실험은 더 많은 과학계가 이 공식을 받아들이도록 도왔다.광양자 이론은 양자역학의 ^[10]기본 원리인 파동-입자 이중성의 강력한 지표였다.양자역학의 성숙 후에 광전 이론의 완전한 그림이 실현되었다.

브라운 운동

그 기사"론 폰 dermolekularkinetischen Theorie하는 Wärmegeforderte 운동ruhenden Flüssigkeiten에 von suspendierten Teilchen"("로 분자 운동 이론의에 의해 필요한 소형 입자의 운동에는 고 정형 액체에, 보류")[아인슈타인이 2]5월 11일과 7월 18일 기재된 이는 추계적 모형이라고 묘사했다를 받았다.mo브라운동작.

본 논문은 열의 분자운동이론에 따르면 액체 속에 부유하는 현미경으로 볼 수 있는 크기의 물체는 열분자운동의 결과로 현미경으로 쉽게 관찰할 수 있는 크기의 운동을 해야 한다는 것을 보여줄 것이다.여기서 논의되는 움직임은 이른바 브라운 분자 운동과 동일할 수 있지만, 후자의 데이터는 너무 부정확해서 나는 그 질문에 대한 판단을 내릴 수 없었다.

아인슈타인은 입자의 평균 제곱 변위에 대한 식을 도출했다.당시 논란이 됐던 기체운동이론을 이용해 처음 관측된 지 수십 년이 지나도 만족할 만한 설명이 부족했던 이 현상이 원자의 실체에 대한 경험적 증거를 제공했다는 사실을 입증했다.당시 논란이 됐던 통계역학에도 신빙성을 부여했다.이 논문 이전에, 원자는 유용한 개념으로 인식되었지만, 물리학자들과 화학자들은 원자가 실제 실체인지 아닌지에 대해 논쟁을 벌였다.원자 거동에 대한 아인슈타인의 통계적 논의는 실험자들에게 일반 현미경을 통해 원자를 셀 수 있는 방법을 주었다.반원자 학파의 지도자 중 한 명인 빌헬름 오스발트는 나중에 아놀드 소머펠트에게 장 페린의 후속 브라운 운동 실험에 ^[11]의해 원자의 존재를 확신했다고 말했다.

특수상대성이론

그해 세 번째 논문인 아인슈타인의 '움직이는 ^{[einstein 3]}물체의 전기역학에 대하여'가 6월 30일 접수돼 9월 26일 출간됐다.그것은 빛의 속도에 가까운 역학에 주요한 변화를 도입함으로써 전기와 자기에 대한 맥스웰의 방정식을 역학의 법칙과 조화시킨다.이것은 나중에 아인슈타인의 특수 상대성 이론으로 알려지게 되었다.

이 신문은 다른 5명의 과학자들의 이름만을 언급하고 있다.아이작 뉴턴, 제임스 클락 맥스웰, 하인리히 헤르츠, 크리스티안 도플러, 헨드릭 로렌츠.다른 출판물에 대한 언급은 없습니다.특수 상대성 이론과 상대성 우선권 분쟁의 역사에 자세히 나와 있듯이, 많은 아이디어들은 이미 다른 사람들에 의해 출판되었다.그러나 아인슈타인의 논문은 전자기력과 일치하지만 중력은 생략한 시간 거리 질량 에너지 이론을 소개하고 있다.

당시 맥스웰의 방정식이 움직이는 물체에 적용되면 비대칭(이동 자석과 전도체 문제)이 발생했고, '빛 매체'(에테르)에 대한 지구의 움직임을 발견할 수 없었던 것으로 알려져 있었다.아인슈타인은 이러한 관측을 설명하기 위해 두 가지 전제를 제시한다.첫째, 그는 물리 법칙이 모든 비가속 기준 프레임(관성 기준 프레임이라고 함)에 대해 동일하게 유지된다는 상대성 원리를 역학과 광학 법칙에 적용한다.두 번째 가설에서 아인슈타인은 발광체의 운동 상태와 무관하게 빛의 속도가 모든 기준 프레임에서 동일한 값을 갖는다고 제안합니다.

따라서 특수상대성이론은 매체를 필요로 하는 다른 알려진 파동(물이나 공기 등)과 달리 광파에 대한 전도 매체(또는 에테르)를 검출하지 못한 Michelson-Morley 실험 결과와 일치한다.아인슈타인은 그 실험에 대해 몰랐을지 모르지만, 진술은,

이러한 종류의 예들은 "빛 매체"에 상대적으로 지구의 움직임을 발견하려는 실패적인 시도와 함께, 전기 역학 및 역학의 현상들은 절대 휴식의 개념에 상응하는 특성을 가지고 있지 않다는 것을 암시한다.

빛의 속도는 고정되어 있기 때문에 관찰자의 움직임에 비례하지 않습니다.이것은 뉴턴 고전 역학에서는 불가능했다.아인슈타인은 이렇게 주장한다.

동일한 전기역학 및 광학 법칙은 역학의 방정식이 유효한 모든 기준 프레임에 유효할 것이다.우리는 이 추측(이후 '상대성의 원리'라고 불리게 될)을 가설의 상태로 끌어올리고, 또 다른 가설도 도입할 것이다.이것은 겉으로 보기에 전자와 양립할 수 없는 것, 즉 빛은 항상 상태에 의존하지 않는 일정한 속도 c로 빈 공간에서 전파된다는 것이다.방출하는 물체의 움직임입니다.이 두 가지 가설은 맥스웰의 정지체 이론에 기초한 움직이는 물체의 전기역학에 대한 간단하고 일관된 이론을 얻는데 충분합니다."루미네슘 에테르"의 도입은 개발될 뷰가 특별한 특성을 가진 "절대 정지 공간"을 필요로 하지 않으며, 전자기 프로세스가 발생하는 빈 공간에 속도 벡터를 할당하지 않기 때문에 불필요한 것으로 판명될 것이다.이 이론은 모든 전기역학과 마찬가지로 강체의 운동학에 기초하고 있습니다. 왜냐하면 그러한 이론의 주장은 강체(좌표계), 시계 및 전자기 과정 사이의 관계와 관련이 있기 때문입니다.이러한 상황을 충분히 고려하지 않은 것은 현재 움직이는 물체의 전기역학이 직면한 어려움의 근본에 있다.

1889년 조지 피츠제럴드와 1892년 로렌츠는 서로 독립적으로 움직이는 물체가 운동하는 방향으로 수축하면 마이클슨-몰리의 결과를 설명할 수 있다고 이전에 제안했었다.논문의 핵심 방정식들 중 일부인 로렌츠 변환은 조셉 라모르 (1897, 1900), 헨드릭 로렌츠 (1895, 1899, 1904), 앙리 푸앵카레 (1905)에 의해 로렌츠의 1904년 논문 개발에 의해 발표되었다.아인슈타인의 발표는 피츠제럴드, 라모르, 로렌츠의 설명과는 달랐지만 많은 면에서 푸앵카레의 공식과 비슷했다.

그의 설명은 두 가지 공리에서 나온다.첫 번째는 자연의 법칙이 서로 상대적인 일정한 속도로 움직이는 모든 관찰자들에게 동일해야 한다는 갈릴레오의 생각이다.아인슈타인은 이렇게 말한다.

물리적 시스템의 상태가 변화하는 법칙은 이러한 상태의 변화가 균일한 번역 운동으로 두 좌표계 중 하나를 참조하든 다른 쪽을 참조하든 영향을 받지 않는다.

두 번째 공리는 빛의 속도가 모든 관찰자에게 동일하다는 규칙이다.

모든 광선은 정지된 상태에서 또는 움직이는 물체에 의해 방출되는지 여부에 관계없이 결정된 속도 c에 따라 좌표계의 "정지된" 시스템에서 이동한다.

현재 특수 상대성 이론으로 불리는 이 이론은 모든 관찰자가 동등하다고 간주하는 그의 이후의 일반 상대성 이론과 구별된다.특수상대성이론은 1905년 "발견하기 위해 잘 익었다"는 아인슈타인의 말을 확인하면서, 놀랄 만큼 빠르게 널리 받아들여졌다.아인슈타인은 1913년 자신의 사상을 초기에 전파하는 데 막스 플랑크의 역할을 인정하면서, "이 이론이 동료들로부터 그렇게 빨리 받아들여진 것은 그가 이 이론을 위해 개입한 결단력과 따뜻함 덕분이다."라고 썼다.게다가, 1907년 헤르만 민코프스키에 의한 이론의 개선된 수학 공식은 이론을 받아들이는데 영향을 미쳤다.또한, 그리고 가장 중요한 것은, 그 이론이 점점 더 많은 확인 실험 증거에 의해 뒷받침되었다는 것입니다.

질량-에너지 등가

11월 21일 Annalen der Physik은 네 번째 논문 (9월 27일) "Ist die Trégheit eines Körpers von Seinhalt abhéngig?" ("신체의 관성은 에너지 함량에 따라 달라집니까?")^{[einstein 4]}를 발표했는데,^[12] 아인슈타인은 이 공식에서² 가장 유명한 것을 추론했다.

아인슈타인은 거대한 입자가 고전적인 운동 에너지와 위치 에너지와는 다른 에너지인 "휴면 에너지"를 가지고 있다는 것을 보여주었기 때문에 등가 방정식을 가장 중요하게 여겼다.이 논문은 제임스 클러크 맥스웰과 하인리히 루돌프 헤르츠의 조사와 더불어 아인슈타인이 말한 상대성 공리에 기초하고 있다.

이전 조사 결과는 매우 흥미로운 결론으로 이어지는데, 여기서 추리해 볼 필요가 있다.

이전 조사는 "맥스웰-"에 기초했다.빈 공간에 대한 헤르츠 방정식과 공간의 전자기 에너지에 대한 맥스웰식..."

물리적 시스템의 상태가 변화하는 법칙은 두 좌표계 중 서로에 대한 평행 변환의 균일한 움직임에서 이러한 상태의 변화를 참조하는 대안과는 독립적이다(상대성 원리).

이 방정식은 정지 상태의 물체의 에너지(E)가 질량(m)에 빛의 속도(c) 제곱을 곱한 값 또는² E = mc와 같다는 것을 명시한다.

물체가 에너지 L을 방사선의 형태로 방출하면 질량은 L/c만큼² 감소한다.몸에서 빠져나간 에너지가 방사선의 에너지가 된다는 사실은 분명히 차이가 없다, 그래서 우리는 더 일반적인 결론에 이르게 된다.

물체의 질량은 에너지 함량의 측정값입니다. 에너지가 L만큼 변화하면 질량은 L/(9²⁰ × 10), 에너지는 erg, 질량은 그램으로 변화합니다.

...

이론이 사실과 일치한다면 방사선은 방출체와 흡수체 사이에 관성을 전달한다.

질량-에너지 관계는 핵 반응에 의해 방출되거나 소비되는 에너지의 양을 예측하는 데 사용할 수 있다. 즉, 단순히 모든 성분의 질량과 모든 생성물의 질량을 측정하고 둘 사이의 차이를 c로² 곱한다.그 결과는 보통 빛이나 열의 형태로 얼마나 많은 에너지가 방출되거나 소비되는지를 보여준다.특정 핵반응에 적용되었을 때, 이 방정식은 에너지로 변환되는 질량의 양이 무시할 수 있는 화학 폭발물의 연소보다 수백만 배 많은 엄청난 양의 에너지가 방출된다는 것을 보여준다.이것은 핵분열과 핵융합 중에 결합 에너지를 방출하고 아원자 질량의 일부를 에너지로 변환하기 때문에 핵무기와 원자로가 왜 놀라운 양의 에너지를 생산하는지 설명해준다.

기념품

국제순수응용물리학연합(IUPAP)은 1905년 아인슈타인의 광범위한 연구가 발표된 지 100주년을 2005년 세계물리학의 해로 기념하기로 결의했다.이것은 그 후 유엔에 의해 승인되었다.

레퍼런스

인용문

주요 소스

세컨더리 소스

• 그리빈, 존, 그리빈, 메리Annus Mirabilis: 1905, Albert Einstein, 그리고 Chamberlain Brothers, 2005.의 상대성 이론.ISBN 1-59609-144-4 (DVD 포함)
• 렌, 위르겐, 디터 호프만, "1905년, 기적의 해"2005년 J. 신체. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 S437-S448 (Max Planck Institute for the History of Science [9호 (2005년 5월 14일)]doi: 10.1088/0953-4075/38/9/001.
• Stachel, John 등 아인슈타인의 기적의 해프린스턴 대학 출판부, 1998.ISBN 0-691-05938-1.

외부 링크

• Annus Mirabilis 논문 및 영문 번역본 모음