절대 회전

물리학에서 절대 회전(영어: Absolute rotation)의 개념은 외부 기준틀과 독립적인 회전이며, 상대성이론, 우주론, 자연 법칙의 본질에 대한 논쟁의 주제이다.

회전하는 우주 정거장에서 튀어 오르는 공: 외부 선체에서 튀어 오르는 공의 객관적인 현실은 회전하는 관찰자와 비회전 관찰자 모두에 의해 확인되므로, 우주 정거장의 회전은 선택된 기준틀과 상관없이 "절대적"이고 객관적인 사실이다.

절대 회전의 개념이 과학적으로 의미를 가지려면 측정 가능해야 한다. 다시 말해서‘관찰자가 관찰 대상의 회전과 자신의 회전을 구별할 수 있는가?’이다. 아이작 뉴턴은 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 실험을 제안했다. 하나는 원심력이 양동이에서 회전하는 물의 표면 모양에 미치는 영향에 관한 양동이 논증으로, 유인 우주 비행 제안에서 사용되는 인공중력 현상과 동일하다. 두 번째는 두 구체가 질량 중심을 중심으로 회전할 때, 두 구체를 연결하는 끈의 장력에 미치는 원심력의 영향이다.

고전 역학

뉴턴의 양동이 논증

 이 부분의 본문은 양동이 논증입니다.

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그림 1: 서로 다른 밀도를 가진 두 혼합 불가능한 액체(밀도가 더 높은 무색 액체와 더 가벼운 주황색 액체)가 수직 축을 중심으로 회전할 때의 경계면은 위로 열린 원형 포물면이다.

뉴턴은 물의 표면 모양이 절대 공간에 대한 절대 회전의 존재 여부를 나타낸다고 제안했다. 회전하는 물은 곡면을 가지며, 정지한 물은 평평한 표면을 가진다. 회전하는 물은 오목한 표면을 가지므로, 보이는 표면이 오목하고 물이 회전하지 않는 것처럼 보인다면, 당신은 물과 함께 회전하고 있는 것이다.

물이 이 기준틀에서 정지해 있는 것처럼 보이므로 평평한 표면을 가져야 하기 때문에, 함께 회전하는 기준틀(물과 함께 회전하는 기준틀)에서 물의 오목함을 설명하려면 원심력이 필요하다. 따라서 정지한 물을 보는 관찰자들은 물 표면이 평평하지 않고 오목한 이유를 설명하기 위해 원심력이 필요하다. 원심력은 물을 양동이 측면으로 밀어 올리고, 이곳에서 물은 점점 더 깊게 쌓인다. 물이 더 이상 올라가지 않는 것은 중력에 대한 작업량이 원심력에서 얻는 에너지와 같아질 때이다. 원심력은 반지름이 클수록 더 크다.

보고 있는 현상을 설명하기 위해 원심력이 필요하다면, 당신은 회전하고 있는 것이다. 뉴턴의 결론은 회전은 절대적이라는 것이었다.^[1]

다른 사상가들은 순수한 논리가 오직 상대적인 회전만이 의미 있다고 암시한다고 제안한다. 예를 들어, 조지 버클리 주교와 에른스트 마흐(및 다른 이들)는 고정 별에 대한 상대적인 회전이 중요하며, 물체에 대한 고정 별의 회전은 고정 별에 대한 물체의 회전과 같은 효과를 가진다고 제안했다.^[2] 뉴턴의 주장은 이 문제를 해결하지 못한다. 그러나 그의 주장은 원심력을 우리가 실제로 절대 회전이라고 부르는 것에 대한 조작적 정의의 기초로 확립하는 것으로 볼 수 있다.^[3]

회전하는 구체

 회전하는 구체 문서를 참고하십시오.

그림 2: 끈으로 묶여 각속도 ω로 회전하는 두 개의 구체. 회전 때문에 구체를 묶는 끈은 장력을 받는다.

뉴턴은 자신의 회전율을 측정하는 또 다른 실험을 제안했다. 그것은 두 구체가 질량 중심을 중심으로 회전할 때, 구체를 연결하는 끈의 장력을 이용하는 것이었다. 끈의 장력이 0이 아니라는 것은 구체가 회전하고 있음을 나타내며, 관찰자가 자신이 회전하고 있다고 생각하든 말든 상관없다. 이 실험은 원칙적으로 양동이 실험보다 간단한데, 중력을 포함할 필요가 없기 때문이다.

회전에 대한 간단한 "예/아니오" 답변을 넘어, 실제로 자신의 회전을 계산할 수도 있다. 이를 위해, 측정된 구체의 회전율을 취하고 이 관찰된 속도에 적합한 장력을 계산한다. 이 계산된 장력을 측정된 장력과 비교한다. 두 값이 일치하면 정지(비회전) 기준틀에 있는 것이다. 두 값이 일치하지 않으면, 일치를 얻기 위해 장력 계산에 원심력을 포함해야 한다. 예를 들어, 구체가 정지해 있는 것처럼 보이지만 장력이 0이 아닌 경우, 전체 장력은 원심력 때문이다. 필요한 원심력으로부터 회전 속도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 계산된 장력이 측정된 장력보다 크면, 구체와 반대 방향으로 회전하고 있으며, 불일치가 클수록 이 회전 속도는 빠르다.

와이어의 장력은 회전을 유지하는 데 필요한 구심력이다. 물리적으로 회전하는 관찰자가 경험하는 것은 구심력과 자신의 관성에서 발생하는 물리적 효과이다. 관성에서 발생하는 효과는 반작용 원심력이라고 한다.

관성에서 발생하는 효과를 가상의 원심력으로 돌릴 것인가는 선택의 문제이다.

상대성이론

특수 상대성이론

 이 부분의 본문은 사냐크 효과입니다.

프랑스 물리학자 조르주 사냐크는 1913년 회전의 효과를 관찰하기 위해 마이컬슨-몰리 실험과 유사한 실험을 수행했다. 사냐크는 아인슈타인의 1905년 특수 상대성이론이 폐기했던 광휘성 에테르의 존재를 증명하기 위해 이 실험을 설정했다.

사냐크 효과와 이후의 유사한 실험들은 지구 표면의 정지 물체가 별을 정지 기준점으로 사용할 때 지구의 회전마다 한 번씩 회전한다는 것을 보여주었다. 따라서 회전은 상대적인 것이 아니라 절대적인 것으로 결론지어졌다.

일반 상대성이론

 마흐의 원리 및 틀 끌림 문서에 이 부분의 추가 정보가 있습니다.

마흐의 원리는 알베르트 아인슈타인이 물리학자이자 철학자인 에른스트 마흐에게 종종 귀속되는 가설에 붙인 이름이다.

이 아이디어는 회전 기준틀의 국소적인 운동이 우주에 있는 물질의 대규모 분포에 의해 결정된다는 것이다. 마흐의 원리는 먼 별들의 운동과 국소 관성 기준틀을 연결하는 물리 법칙이 있다고 말한다. 만약 모든 별들이 당신 주위를 빙빙 돌고 있는 것을 본다면, 마흐는 당신이 원심력을 느끼게 할 어떤 물리 법칙이 있다고 제안한다. 이 원리는 종종 "저기 있는 질량이 여기 있는 관성에 영향을 미친다"와 같이 모호하게 진술된다.

아인슈타인이 고려한 예는 회전하는 탄성 구체였다. 적도에서 불룩한 회전하는 행성처럼, 회전하는 구체는 회전에 따라 납작한(눌린) 회전타원면으로 변형된다.

고전 역학에서는 이러한 변형을 설명하기 위해 회전타원면이 회전하지 않는 기준틀에서의 외부 원인이 필요하며, 이러한 외부 원인은 고전 물리학과 특수 상대성이론에서 "절대 회전"으로 간주될 수 있다.^[4] 일반 상대성이론에서는 외부 원인을 필요로 하지 않는다. 회전은 국소적인 측지선에 상대적이며, 국소적인 측지선은 궁극적으로 먼 별에서 정보를 전달하므로, 이 별들에 대한 절대 회전이 존재하는 것처럼 보인다.^[5]

같이 보기

• 절대 시간과 공간
• 마흐의 원리
• 푸코의 진자