진공 속에서의 빛의 속도(m/s)

일상생활에서의 빛에 대한 경험으로 보면 빛은 무한히 빠른 속도로 달리므로 빛 이한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데는 시간이 걸리지 않을 것처럼 보입니다. 또한 스위치를 올리면 그 순간 빛이 우리에게 도달하는 것처럼 보입니다.

그러나 빛도 측정 가능한 속도를갖고 있습니다. 빛이 전파되는 데 걸리는 시간을 알아차리기 위해서는 천문학적 거리가 필요합니다.

진공 속에서의 빛의 속도(m/s)

1676년에 빛의 속도 측정을 처음 시도한 사람은 파리 왕립 천문대에서 일하고 있던 덴마크 천문학자 올레 뢰머 ole Ramer 였습니다.

진공 속에서의 빛의 속도(m/s)

1. 이오의 공전주기

1610 년에 갈릴레이가 목성의 네 개 위성을 발견했고 1676년 뢰머는 그중 한 위성인 이오에 관심을 가졌습니다. 다른 위성들처럼 이오도 규칙적으로 목성을 돌고 있었습니다. 따라서 이오가 목성을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 항상 같아야 했습니다. 그러나 이오의 공전 주기는 때로는 느려지고 때로는 빨라졌습니다. 이러한 현상이 1년 주기로 반복하여 나타난다는 것을 알게 된 뢰머는 지구가 태양을 돌고 있으기 때문에 목성에서 오는 빛이 지구에 도달하기 위해 달려야 하는 거리가 달라지기 때문일 것이라고 추정했습니다. 만약 빛의 속도가 무한히 빠르다면 거리의 차이는 아무 문제가 되지 않을 것입니다. 따라서 빛의 속도는 유한해야 한다고 생각했습니다.

뢰머는 자신의 관측 자료를 이용해서 빛이 태양과 지구 사이의 거리를 달리는 데 11분이 걸린다고 계산해냈습니다. 따라서 빛의 속도는 22만 km/s가 되었습니다. 우리는 뢰머가 얻은 결과가 실제 빛의 속도인 30만 km/s보다 작은 값이라 하는 것을 알고 있습니다. 그러나 여기서 숫자는 그리 중요하지 않습니다. 중요한 것은 뢰머가 빛이 A에서 B까지 진행하는 데 시간이 걸린다는 사실을 알아냈다는 것입니다.

2. 빛보다 빨리 달린다

중성미자가 빛보다 더 빠른 속도로 달린다는 것이 밝혀졌다는 소식이 전해지면서 물리학계가 술렁거렸습니다. 빛보다 빠른 것으로 알려진 이 입자는 스위스 제네바에 있는 CERN에서 발사되어 알프스 산맥을 통과해 이탈리아의 그란사소 Gran Sasse에 설치된 감지기에 도달했습니다. 이 입자가 달린 거리는 약 731km였습니다. 이 실험을 수행한 연구팀에 의하게 되면 일부 중성미자가 빛이 이 거리를 달리는 데 소요되는 시간보다 짧은 60.7ns안에 감지기에 도달했습니다.

이 실험 결과는 몇 가지로 설명할 수 있었습니다. 첫 번째 아인슈타인의 상대성이론이 옳지 않아 빛의 속도가 우주에서 가장 빠른 속도가 아니라는 것입니다. 두 번째는 실험 과정에서 오류가 생겨 중성미자가 상대성이론을 위반한 것처럼 보이게 한 것으로 실험 결과가 옳지 않다는 것입니다. 세 번째 가능성이 가장 흥미를 끈다. 중성미자는 빛보다 빠른 속도로 달리지 않았습니다. 다만 우리가 볼 수 없는 다른 차원의 지름길을 통과했므로 빛보다 빨리 목적지에 도달한 것처럼 보였다는 것입니다. 이는 지름길을 이용해서 달린 마라톤 선수가 새로운 기록을 수립한 것과 같다. 그 마라톤 선수는 최고 속도로 달리지 않아도 결승선을 통과하는 것만 놓고 보았을 때 최고의 속도로 달린 것처럼 보일 것입니다.

나중에 밝혀진 설명은 사람들을 실망시켰다. 장비의 오류로 밝혀졌기 때문입니다. 실험 장치를 면밀히 점검한 과학자들은 광섬유가 잘못 연결되어 시계가 조금 빠르게 갔다는 것을 밝혀냈습니다. 그래서 여전히 지금도 빛의 속도는 우주 공간을 통해 달릴 수 있는 가장 빠른 속도입니다.

3. 변하지 않는 속도

진공 중에서의 빛의 속도는 유한할 뿐 아니라 항상 같다. 이것 은유 명한 마이컬슨의 실험을 통해 1887년에 밝혀졌습니다. 공항에서 쉽게 볼 수 있는 무빙워크를 생각해보자. 무빙워크가 움직이는 속도가 1m/s이고, 그 위를 누군가 2m/s의 속도로 걸어가고 있으면 옆에서 지켜보는 사람은 무빙워크의 속력에 그 사람이 걷는 속도를 더한 3m/s의 속력으로 걷고 있는 것으로 관측할 것입니다. 반대로 무빙워크가 움직이는 것과 반대 방향으로 걷고 있으면 그 사람이 걷는 속력에서 무빙워크의 속력을 뺀 1m/s의 속력으로 걷고 있는 것으로 관측할 것입니다. 1880년대에는 빛이 이와 다르게 행동한다고 생각해야 할 아무런 이유가 없었습니다. 그러나 마이컬슨과 몰리의 실험은 빛이 이런 규칙을 따르지 않는다는 것을 보여주었습니다.

4. 역설의 해결

왜 밤하늘은 어두울까요? 이 질문은 1823년에 이 문제를 제기한 독일 천문학자 하인리히 올베르스 Heinrich Olbers의 이름을 따서 올베르스의 역설이라고 부르는 전통적인 역설의 핵심을 나타내는 질문입니다. 그러나 이러한 의문이 제기된 것은 16세기부터였습니다.

만약 우주에 무한히 많은 별이 있으면 어느 방향을 보더라도 그 시선 방향에 별이 있어야 합니다. 그렇게 되면 밤하늘은 어둡지 않고 밝아야 합니다.

항상 일정한 빛의 속도와 팽창하고 있는 우주가 이 역설을 해결할 수 있게 했습니다. 우주에는 우리로부터 너무 빠른 속도로 멀어지고 있어 빛이 우리에게 도달할 수 없는 부분이 있다는 것입니다. 빛이 우리에게 도달할 수우리에게 숨겨져 있는 부분입니다.

그들이 만든 정교한 실험 장치는 지구가 태양 주위를 공전하면서 달리고 있는 방향과 같은 방향으로 빛을 비출 수 있게 했습니다. 지구가 반대방향으로 달리게 되는 6개월 후 그들은 같은 실험을 반복해보았습니다. 무빙워크와 마찬가지로 그들은 빛이 지구와 같은 방향으로 달릴 때는 빨라지고 반대 방향으로 달릴 때는 느려질 것이라고 예상했습니다. 그러나 결과는 지구의 운동이 빛의 속도에 영향을 주지 않는다는 것이었습니다. 빛의 속도는 항상 일정했습니다.

약 20년 후 알베르트 아인슈타인은 모든 관측자에게 빛의 속도는 일정하다는 것을 특수상대성이론의 두 가지 전제 중 한 가지로 채택했고, 이것은 시간 지연이라 하는 결과를 가져왔다 같은 해에 E=mc²이라 하는 식도 제안되었습니다. 이 식에서 는 빛의 속도다. 아인슈타인의 최초 논문에서는 빛의 속도를 로 나타냈지만 1907년 이후 빛의 속도를 c로 나타내게 되었습니다. 는 빠름이라 하는 뜻의 라틴어 'celeritas'의 머리글자다.

지구의 평면설

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