안녕하세요. A.K.A JuN 인사드립니다.
눈 깜짝할 새라는 말 한 번쯤은 들어보셨을 겁니다.
매우 짧은 순간을 뜻하는 말로,
빛의 속도에 비유하기도 하는데
이렇게 빠른 빛의 속도를 현대에는 여러 실험을 통해 측정했지만,
과거에는 어떻게 알아냈는지
오늘은 빛 속도에 대해 알아보고자 합니다.
우리 삶에서 공기처럼 익숙한 것이
바로 빛이라고 할 수 있습니다.
빛 속도는 초속 약 30만 km라고알려져 있습니다.
정확하게는 초속 29만 9792.458km로
이 속도는 1초에 지구를 7바퀴 반을 돌 수 있으며,
지구에서 달까지 1.3초 만에 도달할 정도라고 합니다.
하지만 옛날에는빛은 너무나 빨라
그 속도가 무한이라고 생각했습니다.
빛의 속도에 관한 최초의 기록은
고대 그리스의 과학자였던 엠페도클레스로부터 시작됩니다.
빛은 사물처럼 움직여
모든 사물이 움직일 때와 마찬가지로
이동하는 데 걸리는 시간이 필요하다고 주장했습니다.
알렉산드리아의 발명가였던
헤론은 별처럼 멀리 떨어진 물체를
눈을 뜸과 동시에 바로 볼 수 있다는 사실을 통해
빛의 속도가 무한하다고 주장했는데
이후 빛의 속도는 유한하다와 무한하다의 사이에서 끊임없이 부딪치다가
결국 시대는 중세를 거쳐서 르네상스로 넘어갑니다.
광속이 무한이라는 생각을 품고
처음으로 빛의 속도를 확인하려고 한 사람은
근대 과학의 아버지인 갈릴레이입니다.
1638년, 이탈리아의 위대한 과학자 갈릴레오 갈릴레이는
빛의 속도를 구하기 위해 이전과는 다른 실험을 하게 되는데
갈릴레이는 빛의 속도를 확인하기 위해
몇 km 떨어져 있는 두 곳에서 빛의 신호를 주고받아
그 왕복 시간을 계산하려고 했습니다.
갈릴레이
몇 km 떨어진 산꼭대기 두 곳에
각각 램프를 든 사람을 세워 둔 뒤
한쪽이 램프의 뚜껑을 열어
빛 신호를 다른 한쪽으로 보내면 그것을 본 순간에 다른 한쪽이
상대에게 빛을 돌려주어 그 왕복 시간을 측정하려 했습니다.
갈릴레이가 램프 덮개를 열어 빛을 보내면,
다른 산에 있던 조수가 그 빛을 본 순간
자신의 램프 덮개를 열어 응답을 보내는 것입니다.
갈릴레이는 조수가 보낸 빛을
자신이 보는 순간까지가 빛이
두 산꼭대기를 왕복한 시간이 될 거라고 생각했습니다.
두 산 사이의 거리는 알고 있으니까
시간만 잘 재면 이때까지 베일에 쌓여있던
빛의 속도를 알 수 있을 거라고 추측한 것입니다.
산꼭대기 사이의 거리를 5km라고 하면
빛의 속도는 초속 30만 km이므로 1왕복 10km하는데
걸리는 시간은 10만 분의 3초입니다.
물론 당시의 기술로는
이 정도의 시간을 측정할 수 없기 때문에
실험은 실패로 끝났습니다.
이런 갈릴레이의 실험이 원시적이긴 하지만
공식적으로는 빛의 속도를 재려는 최초의 실험이 됩니다.
갈릴레이를 대신해
빛의 속도가 유한함을 보여준 대상은
갈릴레이가 발견한 목성의 위성 이오였습니다.
모든 위성이 그렇듯 이오도
행성의 그림자에 종종 숨어버립니다.
이를 이오의 식이라고 부릅니다.
목성과 지구 사이의 거리는 궤도 상의 위치에 따라 변하는데
1676년 덴마크의 천문학자 올레 뢰메르는
일정한 주기로 일어나아햘 이오의 식이
지구에서 관측되는 시각에 차이가 생기는 것을 확인하였습니다.
이오는 큰 천체의 목성 그 둘레를 도는 것이 이오인데
이오는 목성의 둘레를 약 42.5시간 주기로 공전합니다.
이오의 식
지구, 목성, 이오의 공전 궤도면은 서로 거의 일치하므로
이오는 약 42.5시간 주기로 목성의 뒤에 숨게 되나
빛의 속도는 유한하므로 지구가 목성에 가까울 때는
이 현상이 일찍 관측되고 지구가 목성에서 멀어졌을 때는 늦게 관측되게 됩니다.
일정한 주기로 이오의 식은 일어나는데
지구가 목성에 가까워질 때랑 멀어질 때에
약 22분의 시간 차이가 있었습니다.
이오의 궤도도 똑같고 그림자도 똑같으면
이오의 식은 늘 같아야 하는데
뢰메르는 이 현상을 빛의 속도 때문이라고 알아냅니다.
따라서 지구와 태양 사이의 거리만 정확하게 측정한다면
빛의 속도를 계산해낼 수 있는 것입니다.
이것을 깨달을 뢰메르는 이 시간차를 비교하여
그것을 바탕으로 빛의 속도를 역산했는데
그 값은 초속 21km였습니다.
무한하다고 생각했던 빛의 속도는
갈릴레이가 추론한대로 유한한 것임을 확인한 것입니다.
또 뢰메르의 측정값은 지금으로부터 약 350년 전의 결과임을 감안하면
대단한 것이라고 볼 수 있습니다.
19세기로 넘어오면서 천문현상에 의존하던 기존방식과 달리
좀 더 정밀하게 빛의 속도를 측정하는 실험을 하게 되는데
프랑스의 물리학자 이폴리트 피조의 광속 측정 장치는
멀리 떨어진 두 점 사이를 빛이 왕복할 때 걸린 시간을 재는 것으로
기본적으로는 갈릴레이의 광속 측정 아이디어와 같은 맥락이었습니다.
피조는 망원경 같은 관측장치와
빛을 반사시키는 장치를 마련하고
그사이를 빛이 왕복하도록 했는데
그 거리는 편도 약 8.6km, 왕복 17.2km였습니다.
17.2km라는 거리는 사람에게는 충분히 먼 거리이지만
빛은 1만분의 1초도 걸리지 않아
당시 이 기술로는 짧은 시간을 정확하게 측정하긴 어려웠습니다.
그래서 피조는 회전하는 톱니바퀴를 사용했습니다.
톱티바퀴의 회전 속도를 절묘하게 조절함으로써
빛이 장치 사이를 왕복하는데 걸리는 시간을 구해
광속의 값을 계산하는데 성공한 것입니다.
톱니에 완벽하게 빛이 가려지는 순간에
톱니의 회전속도를 이용해
측정한 결과 빛의 속도를
상당히 근접한 값인 약 31.3만 km 인 것을 알아낸 것입니다.
현재 빛의 속도의 거의 4.5퍼센트 오차 범위라는
획기적인 결과를 만들어냈습니다.
이후 20세기 중반부터 말까지
빛의 속도를 조금 더 정밀하게 측정하려는 실험이 생겨났고
진공에서 빛의 속도 c는 299,792,456.2의 플러스 마이너스 1.1 m/s라는 오차를
갖는다는 사실을 마지막으로 결론짓게 됩니다.
오늘은 이렇게 빛 속도에 알아보았습니다.
알려 드린 내용이 도움이 되셨길 바랍니다.