빛의 속도는?

 

빛의 속도를 측정하는 방법은 여러 가지가 있지만, 그 중 가장 간단한 방법은 피조의 광속 측정 장치를 사용하는 것입니다. 피조의 광속 측정 장치는 광원에서 나오는 빛이 회전하는 톱니바퀴의 톱니 틈을 통과하게 한 후 멀리 있는 거울에 부딪혀 되돌아오게 해 빛이 멀리 떨어진 두 점 사이를 왕복하는 데 걸린 시간을 재는 장치입니다. 빛의 속력은 빛이 이동한 거리를 그것을 통과하는 데 걸린 시간으로 나눈 값입니다.

 

피조의 광속 측정 장치를 사용하여 빛의 속도를 측정하는 방법은 다음과 같습니다.

피조의 빛 속도 측정 원리

 

피조의 빛 속도 측정 원리.

1. 광원에서 나오는 빛을 회전하는 톱니바퀴의 톱니 틈에 통과시킵니다.

 

2. 빛은 톱니바퀴를 통과하여 멀리 있는 거울에 부딪혀 되돌아옵니다.

3. 빛이 톱니바퀴를 통과하고 다시 톱니바퀴로 돌아오는 데 걸린 시간을 잽니다.

4. 빛이 이동한 거리는 톱니바퀴의 지름과 거울과의 거리를 더한 값 입니다.

5. 빛의 속력은 빛이 이동한 거리를 그것을 통과하는 데 걸린 시간으로 나눈 값입니다.

피조의 광속 측정 장치를 사용하여 빛의 속력을 측정한 결과는 약 313,274,304 m/s입니다.

1848~49년에 이폴리트 피조는 서로 8,633 미터 떨어져 있는 강한 광원과 거울 사이의 빛의 속도를 측정했다. 광원은 초당 여러 번 가변 속도로 회전할 수 있는 720개의 노치가 있는 회전 톱니바퀴에 의해 차단되었다. (그림 1)

피조는 톱니바퀴의 한 노치를 통과하는 빛이 인접한 기어 치차에 의해 완전히 가려질 때까지 톱니바퀴의 회전 속도를 높였는데, 초당 12.6 회전에서 빛이 가려졌다. 이 속도의 두 배(초당 25.2회전)에서 다음 노치를 통과하면서 다시 볼 수 있었고, 3배 속도에서 다시 가려졌다. 바퀴의 회전 속도와 바퀴와 거울 사이의 거리에 의하여,

피조는 빛의 속도에 대해 2 x 8633m x 720 x 25.2/s =313,274,304 m/s 의 값을 계산할 수 있었다. 빛의 속도에 대한 피조의 값은 약 5% 높은 값으로, 올바른 값은 299,792,458m/s이다.

이러한 오차의 원인으로 피조는 인접한 치아에 의해 차단되는 빛의 강도가 최소가 되는 때를 시각적으로 추정하기 어려웠다는 점과, 다른 오류 원인으로 바퀴에서 거울까지의 거리 측정의 오차를 들 수 있다.

갈릴레이의 광속 측정법: 갈릴레이는 빛의 속도를 최초로 측정하려고 시도한 과학자 중 한 명입니다. 그는 1638년에 출판된 "[두 가지 새로운 과학의 대화]"라는 책에서 빛이 무한 속도인지 유한 속도인지에 대해 논의했습니다

뢰메르의 광속 측정법: 올라우스 뢰메르(Olaus Roemer)는 1676년에 지구와 목성 사이의 거리 변화를 통해 광속의 유한성을 밝혀냈습니다.

목성의 달 이우로파의 태양을 지나는 시간 간격에 변화가 있을 때, 지구와 목성 사이의 거리 변화를 이용하여 광속을 추정했습니다.

라빈드라-카일라스의 실험: 라빈드라-카일라스(Labindra-Kailash)는 레이저 펄스를 이용한 실험을 통해 광속을 측정하는 방법을 제안했습니다. 이 실험에서는 레이저 펄스를 반사시키고 이를 다시 감지하여 펄스의 왕복 시간을 측정하여 광속을 계산합니다.

현대의 정밀한 측정법: 현대에는 더 정교한 광속 측정 장치와 실험 방법이 개발되었습니다. 이에는 레이저 간섭계, 광섬유 측정, 초정밀 시계 등이 포함됩니다. 이러한 장비와 기술은 광속을 더 정확하게 측정하고 실험 데이터를 분석하는 데에 활용됩니다

현대 과학이 빛의 속도를 측정하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 그 중 가장 일반적인 방법은 레이저를 사용하는 것입니다. 레이저는 고주파로 진동하는 전자기파를 사용하여 빛을 생성하는 장치입니다. 레이저는 매우 정밀한 빛을 생성할 수 있기 때문에 빛의 속도를 매우 정확하게 측정할 수 있습니다.

 

레이저를 사용하여 빛의 속도를 측정하는 방법은 다음과 같습니다.

 

1.레이저를 멀리 있는 거울에 비춥니다.

2. 빛이 거울에 반사되어 되돌아오는 데 걸린 시간을 잽니다.

3. 빛이 이동한 거리는 레이저와 거울 사이의 거리입니다.

4. 빛의 속력은 빛이 이동한 거리를 그것이 거울에 반사되어 되돌아오는데 걸린 시간으로 나눈 값입니다.

레이저를 사용하여 빛의 속력을 측정한 결과는 약 299,792,458m/s 입니다.

최근 아인슈타인의 상대성이론을 뒤집을 수도 있는 실험이 잇달아 성공하면서 학계는 물론 일반인들의 관심을 끌고 있습니다. 스위스에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)는 중성미자(뉴트리노ㆍ물질의 최소소단위인 소립자의 하나) 속도가 빛보다 빠르다는 실험 결과를 얻었다고 발표했습니다.

물론 아직 대부분 과학자들은 실험에 오류가 있다는 쪽에 무게를 두고 있는데. 다른 과학자 그룹이 비슷한 연구 결과를 내지 않는한 의구심이 사라지지는 않을 듯합니다. 그만큼 빛보다 빠른 물질이 없다는 지식은 현대과학의 기본 상식으로 받아들여지고 있는 것입니다.

 

왜 빛보다 빠른 물질은 있을 수 없다고 하는 걸까?

 

답은 질량, 공간ㆍ시간 차원에서 구할 수 있습니다. 일단 빛(광자ㆍphoton)은 우주에서 질량이 없는 유일한 물질이며. 과학자들이 빛보다 빠른 물질이 있을 수 없다고 굳건히 믿는 이유를 쉽게 설명하면 이렇습니다.

 

빛보다 빠르려면 어떤 물질의 질량이 빛보다 가벼워야 하지만 '0'보다 작은 질량은 있을 수 없습니다. 질양이 0이 아닌 물질이 가속을 할수록 질량은 무한대로 커지고 길이는 무한히 작아지며 시간은 정지하는 쪽으로 변화가 되는 현상이 일어나 물질은 존재할 수 없는 상태가 됩니다.

 

따라서 빛 보다 바른 물질은 다고 말합니다. 빛보다 빠른 물질을 '타키온'이라 하지만 이는 가상의 입자일 뿐입니다.

 

전자기파로 설명할 수도 있습니다. 맥스웰은 19세기에 전기와 자기의 발생에 관련한 이론을 정립했습다. 유명한 맥스웰 방정식립다. 여기서 빛이 곧 질량이 없는 전자기파임을 이론적으로 증명했습니다. 이어 약 20년 뒤 헤르츠가 전파를 발생시켜 전자기파가 빛이라는 사실을 실험적으로 보여주었습니다.

 

아인슈타인은 빛의 속도를 '우주의 제한속도(Universe's speed limit)'라고 불렀다. 그 제한속도는 진공 상태에서 초당 2억9979만2458ｍ 입니다. 그리고 빛보다 빠른 물질은 있을 수 없다는 전제로 특수상대성이론을 완성했습니다.

 

아인슈타인은 만약 그런 물질이 있다면 인과율(원인이 없는 결과는 있을 수 없다는 법칙)이 깨진다고 주장했습니다. 이후 모든 과학적 현상이 상대성이론과 들어맞으면서 현대과학의 탄탄한 토대가 됐습니다.

 

만약 우주에 최대 속도가 없다면 무한의 속도라는 개념을 받아들여야 하지만 이는 불가능합니다. 속도는 시간당 공간 이동을 얼마나 하는지 보여줍니다.

 

수학적으로 보면 공간의 변화량을 시간의 변화량으로 나눈 것인데 무한한 속도가 존재하려면 공간의 변화가 무한하거나 또는 시간이 흐르지 않아야 한다는 결론이 나오기 때문입니다.