상대성이론의 원리와 광속도

물체의 운동을 논하는 데는 우선 기준이 되는 물체, 즉 기준계(基準系)를 결정해야 한다. 가령 절대정지(絶對停止)의 기준을 주는 물체가 있으면, 그것에 고정된 기준계를 근거로 한 물체의 절대운동(절대속도)을 측정함으로써 절대운동을 지배하는 법칙이 확립된다. 또 다른 기준계에 의하여 물체의 운동을 논하는 데는 기준계 자체의 절대속도를 하나의 인자(因子)로 하는 변형된 형식인 운동법칙을 적용해야 한다. 그러나 일상 경험이 가리키는 사실은 이와 달리, 서로 균일한 속도로 운동하고 있는 한, 즉 를 가지고 있지 않는 한 2개의 물체상에서는 역학법칙이 완전히 같은 모양으로 성립한다는 것이 인정된다.

예를 들면, 지면에 대하여 일정한 속도로 진행하는 열차 내에서는, 물체는 지상에서의 경우와 같이 운동하고 물체를 낙하시키면 열차의 바닥에 대하여 연직으로 낙하하고, 진자를 시키면 지상에서 진동시킬 때와 같은 주기로 진동한다. 따라서 차내에서 물체의 운동만을 관찰하는 한, 열차가 운동하고 있는지 정지하고 있는지를 판단할 수 없다. 즉 가속도가 생기지 않는 한, 물체 내에서 그 물체 자체의 운동을 알 수가 없게 된다.

이와 같이 물체의 절대운동이라는 것은 의미를 갖지 못하고 운동은 모두 상대적이며 등속도로 운동하는 좌표계끼리는 역학법칙에 대하여 동등한 자격을 가지고 있다는 것이 갈릴레이에 의하여 이미 지적되었다. 이러한 인식 위에서 힘의 운동에 대한 효과는 가속도에 집약적으로 나타나고, 서로 등속도로 운동하는 좌표계 내에서는 불변의 형식을 가진다는 뉴턴역학이 확립되었다. 이상과 같은 운동의 상대성 개념을 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리라 한다. 그러나 순수한 역학현상 이외의 이나 전자기현상(電磁氣現象)에 대해서는 이 원리는 성립되지 않는 경우가 생긴다.

즉 빛의 현상을 포함한 전자기장의 기본법칙을 기술하는 맥스웰방정식[電磁氣方程式]은 어떤 기준계로부터 이것에 대하여 일정한 속도로 움직이는 기준계에 옮기면, 그 형식이 변한다. 이것을 H.A.로런츠 등은 다음과 같이 설명하였다. 즉 빛(전자기장)은 에테르라는 매질(媒質)을 전파하는 파동이며, 이 에테르는 공간을 완전히 메꾸고, 물체에 대하여 아무런 저항도 나타내지 않기 때문에 절대정지의 기준을 주는 것이라고 하였다. 그러나 만일 빛의 전파현상에 대하여, 특별한 자리에 있는 이와 같은 에테르 정지좌표계가 존재하는 것이라면, 에테르에 대하여 일정한 속도는 진행방향에 따라 변할 것이고, 그 변하는 모양을 정밀히 측정하면 그 계의 절대운동을 알 수 있다.

이러한 예상하에서 A.A.마이컬슨과 E.W.몰리는 지구의 절대운동을 결정하고자 하였으나 결국 광속도의 방향에 의한 변화를 발견하지 못하였다. 즉 광원에 대하여 정지하고 있는 관측자가 빛을 보거나, 균일한 운동을 하고 있는 관측자가 빛을 보거나 모든 방향으로 같은 속력으로 전달된다. 이 결과가 의미하는 바는 중대한 것이며, 갈릴레이의 상대성원리를 수정하든지 또는 맥스웰의 전자기이론을 수정하든지 해야 하는 문제가 야기되었다.

이 모순들을 해결하기 위하여 많은 방도가 고안되었는데, 로런츠와 G.피츠제럴드는 실제로는 빛의 속력은 관측자(기준계)의 운동의 영향을 받지만, 물체는 에테르에 대하여 운동할 때, 운동방향에 따라 그 속도로서 결정되는 일정한 수축(收縮)을 받기 때문에, 광속의 변화가 관측에 나타나지 않는다는 학설을 제출하였다. 이것을 로런츠-피츠제럴드수축가설이라고 한다.