알베르트 아인슈타인관
정지 액체 속에 떠 있는 작은 입자들의 운동에 대하여
- 스코틀랜드 식물학자 브라운이 발견해 브라운 운동이라고 불리는 현상은 액체나 기체 속에서 미소입자들이 불규칙하게 운동하는 현상이다. 알베르트 아인슈타인이 원자의 실재성과 통계적 요동을 바탕으로 설명했다. 설명하자면, 미소입자들이 불규칙하게 '표류'하는 이유는 원자들이 요동으로 미소입자의 운동이 영향을 받기 때문이다. 꽃가루와 같은 매우 작은 입자들은 물 분자와 충돌해 눈에 보이는 움직임을 보인다는 것이다.
빛의 발생과 변화에 관련된 발견에 도움이 되는 견해에 대하여
- 어떤 물질 내의 전자가 어느 수준 이상의 에너지를 흡수하면 빛이 방출된다. 광자의 에너지가 너무 낮으면, 전자는 물질을 벗어날 수 없다. 비춰지는 빛의 세기가 커지는 것은 광자의 수가 늘어난다는 뜻이므로 더 많은 수의 전자를 움직이게 만들지만 각각의 전자가 가지는 에너지를 증가시키지는 않는다. 방출된 전자의 에너지는 쪼여주는 빛의 세기가 아니라 각각의 광자의 에너지 혹은 진동수에 영향을 받는다. 입사된 광자와 최외각 전자 사이의 상호 작용이다. 한 광자의 모든 에너지는 원자적 결합에서 한 전자를 자유롭게 하는 데 쓰이고, 남은 에너지는 방출된다. 아인슈타인은 막스 플랑크의 양자론 개념과 에너지 보존 법칙을 이용하여 광전자 방출에 대한 식을 구할 수 있었다. 빛을 파동으로 생각하였던 당시의 관점에서는 빛이 충돌하여 전자를 튕겨나오게 하는 것에 대해 설명할 수 없었다. 그러나 빛이 입자성을 가진다는(광양자 가설)발표가 물리학의 혁신을 가져왔다.
운동하는 물체의 전기역학에 대하여
특수 상대성 이론은 다음의 가정을 전제로 한다.
- 모든 관성계는 동등하다.
- 진공에서의 빛의 속력은 어느 관성계에서나 일정하다.
- 동시성은 좌표계에 따라 상대적이다. 즉 동시라는 것은 좌표계에 따라서 다르게 관측된다는 것이다. 한 좌표계에서 두 사건이 동시에 일어난 것이라 관측되었더라도 다른 좌표계에서는 두 사건이 동시에 일어나지 않은 것으로 관측될 수 있다.
- 시간 팽창은 어떤 관성계에서 상대속도를 가지는 다른 관성계를 관측할 때 시간이 팽창된 것으로 관측되는 것을 뜻한다. 즉 관성계 A에서 움직이는 다른 관성계 B를 보면 B의 시간이 상대적으로 느리게 가는 것으로 관측된다. 물론 모든 관성계는 동등하기 때문에 역으로 다른 관성계 B에서 관성계 A를 관측하면 A의 시간이 상대적으로 느리게 가는 것으로 관측된다.
- 길이 수축은 어떤 관성계에서 상대속도를 가지는 다른 관성계를 관측할 때 길이가 수축된 것으로 관측되는 것을 뜻한다. 즉 관성계 A에서 움직이는 다른 관성계 B를 보면 B의 길이가 상대적으로 짧아진 것으로 관측된다. 물론 모든 관성계는 동등하기 때문에 역으로 다른 관성계 B에서 관성계 A를 관측하면 A의 길이가 상대적으로 짧아진 것으로 관측된다.
- 갈릴레이 변환 대신 네덜란드 물리학자 헨드릭 안톤 로런츠가 고안한 로런츠 변환을 사용하여 위 두 이론을 설명하였다. 그는 맥스웰 방정식을 보존하는 변환식을 발견했으나 에테르 가설을 믿었다. 아인슈타인은 이를 재해석해 시간 팽창과 길이 수축을 골자로 하는 역학인 특수 상대성 이론을 발표했다.
물체의 관성은 에너지 함량에 의존하는가
질량-에너지 등가설은 모든 질량은 그에 상당하는 에너지를 가지고 그 역 또한 성립한다(모든 에너지는 그에 상당하는 질량을 가진다)는 개념이다. 특수 상대성 이론에서 다음과 같은 같은 질량-에너지 등가 관계식으로 나타난다.
E=mc2 E = 에너지 m = 질량 c = 진공 속의 빛의 속도
이 공식에서 질량은 특수 상대성 이론에서의 두 가지 정의 모두 적용 가능하다. 질량이 정지질량이라면 에너지는 정지에너지라 불리고, 질량이 상대론적 질량이라면 에너지는 전체에너지이다.
아돌프 폰 바이어관
폰 바이어 박사는 폼알데하이드의 축합 반응, 하이드로벤젠, 녹색 식물에 의한 탄소 동화 작용 등 유기 화학의 연구 논문을 많이 발표하여 유기 합성 화학에 특히 큰 공적을 남겼다. 그는 '쪽'이라는 식물에서 나는 남빛의 물감 인디고를 연구하였다. 과학자들은 인디고의 구조를 밝히려 오랫동안 연구했지만 복잡하고 특이한 구조로 이루어져 있는 인디고 구조는 오랫동안 밝혀지지 않았다. 폰 바이어는 20년 동안 인디고를 연구한 끝에, 인디고를 잘게 분해해 얻은 조각들을 독립적으로 합성하는데 성공했다. 합성을 통해 얻은 결합이 자연상태의 결합과 일치하는 구조를 알아냈고 천연물질의 인공제법에 성공한 것으로 유기화학의 새 분야를 열었다.
로베르트 코흐관
1905년 국제 결핵 의회와 코흐 박사는 결핵 바이러스에서 계속 나아가는 물질을 발견했다고 발표하였다. 코흐 박사가 TC라고 명명한 이 물질은 소의 결핵을 예방하는 백신의 활동을 작용시키는데 중요한 역할을 하였다. 사람에 대해서도 치료 약품을 얻으려고 노력하고 있으며 현대의 전염병에 관해 면역학의 주요한 대다수의 견해를 세운 현대 혈청 요법의 선구자들의 연구도 계속되고 있다.
어니스트 러더퍼드관
알파 입자 혹은 알파선은 높은 이온화 특성을 지니는 입자 복사의 하나이다. 그리스 문자의 첫 번째 문자인 α에서 이름을 가져왔다. 투과성은 낮다. 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성되어 있다. 즉 헬륨과 동일한 구성을 지니며, 이러한 이유로 He2+로 쓰이기도 한다. 황화아연 섬광막과 이온화 상자에 알파 입자를 발사한 후 알파 입자의 개수와 전하를 측정했고 총 전하를 알파 입자의 개수로 나누어 알파 입자가 +2 전하를 띤 다는 사실을 알아냈다. 이번 발견은 알파 입자를 이용하여 조지프 존 톰슨의 이른바 "자두푸딩" 형태라던 원자 모형(양전하와 음전하가 골고루 분포하여 원자가 중성을 유지한다는 모형)이 틀렸다는 것을 증명하였다. 알파 입자에 부딪히면 빛이나는 스크린에 얇은 금박을 가로막아 두었다. "자두푸딩" 모형이 맞다는 가정하에, 알파 입자는 금박의 퍼져있는 양전하와 반응해서 약간 휘어져야만 할 것이다. 하지만 일부 알파 입자는 예상보다 매우 큰 각도로 휘었으며, 일부는 되튕기기까지도 했던 것이다. 비록 대다수의 알파 입자가 예상대로 직진하기는 했지만, 되튕기기까지 한 알파 입자를 보면 대포를 종이에 대고 쏘았더니 되돌아온 꼴이다. 곧 원자의 양전하는 중심의 매우 조그만 영역에 집중되어 있어서, 알파 입자와 같은 양전하를 되튕길 정도라고 결론지었다. 후일 연구를 통해 양전하가 집중되어 있는 영역은 '원자핵'이라고 명명되었다.
조지프 톰슨관
- 음극선은 직진한다.
- 음극선에는 운동에너지가 존재한다.
- 자기장이 작용할 때 휜다.
- 전기장이 작용할 때에도 휜다.(이 때 음극선은 양극쪽으로 휘어지게 된다.)
- 질량을 갖고 있다.
음극선과 음극선관을 가지고 전자와 원자의 구성입자의 발견에 관한 실험을 수행하였다. 그는 3개의 다른 실험에 음극선관을 사용하였다.
- 첫 번째 실험은 음전하가 자성에 의해서 음극선으로부터 분류될 수 있는지에 관한 것이었다. 첫번째 실험에서 양끝에 슬릿을 가진 한 쌍의 원통 음극선관을 구상하였으며, 이 양 끝의 슬릿들은 전기에 연결되었다. 만약 빛이 자성에 의해서 휘어진다면 빛은 양 끝의 슬릿을 통과할 수 없다고 생각된다. 이 실험 결과 음전하가 빛으로부터 분리할 수 없다고 결론을 내렸다.
- 그의 두 번째 실험은 빛이 전기장에 의해서 휘어질 수 있는지에 대한 것이었다. 이전의 실험이 미량의 가스를 포함하고 있었기에 실패했다고 예측했다. 따라서 완전한 진공과 음극선관을 가지고 실험을 하였고, 음극선관의 한쪽 끝을 인광된 페인트로 덮었다. 그 결과 빛이 전기장의 영향을 받아서 휘는 것을 발견하였고(음전하가 가리키는 방향으로) 실험을 성공적으로 완성하였다.
- 세 번째 실험은 전기장의 세기와 전기장에 따라서 빛이 얼마나 휘는지를 계산함으로써, 질량과 전하의 비(m/e)를 측정하는 것이었다. 입자들이 매우 낮게 혹은 높게 대전되었다고 말하면서, 질량과 전하비율이 수소이온보다 1000배정도 낮은 것을 발견하였다. 실험 결론은 대담하였다. 음극선은 소체라고 불리는 작은 입자들로 이루어져 있고, 이 소체들은 원자에서 왔다. 이로 인해서 원자는 나눌 수 있다. 이 소체들은 전자라고 불리게 되었다.
앨버트 마이컬슨관
앨버트 마이컬슨은 광속에 대한 연구를 시작하여 1881년 마이컬슨 간섭계를 발명해내었고, 그것으로 지구상의 공전 궤도에 따르는 방향과 빛의 속도가 거의 같음을 실제로 측정하였다. 빛의 매질로 가정되었던 에테르를 검출하기 위해 공전운동하고 있는 지구와 에테르의 상대운동에 따른 광파의 간섭을 검출하는 실험을 반복하였다. 그러나 빛이 에테르같은 매질을 통해 전달되는 파동이었다면 검출되었어야 할 간섭현상은 검출되지 않는 결과로 끝맺게 되었다. 이 결과는 어떠한 방향으로든 움직이는 물체에서 관측한 광속도는 언제나 일정하다는 광속 불변의 법칙의 발견으로 이어져, 알베르트 아인슈타인의 특수상대성이론의 기반이 되었다. 계속된 정밀한 광학장치 개발과 분광학적 측정으로 299,781 ± 10 km/s 라는 매우 정확한 광속도를 얻어냈다. 마이컬슨의 연구는 계속 수정되고 개선되어 광학에 기여할 것이다.
