빛의 속도에 관한 연구 역사

예로부터 철학자와 학자들은 빛을 이해하려고 노력했다. 그들은 그것의 기본적인 특성(즉, 입자 또는 파동 등)을 분별하려고 노력하는 것 외에도 그것이 얼마나 빨리 움직이는지를 유한하게 측정하려고 노력해왔다. 17세기 후반부터, 과학자들은 그것을 정확하게 해오고 있다. 그렇게 함으로써, 그들은 빛의 역학과 그것이 물리, 천문학, 우주론에서 수행하는 중요한 역할에 대해 더 잘 이해하게 되었다. 간단히 말해서, 빛은 놀라운 속도로 움직이며 우주에서 가장 빠르게 움직이는 것이다. 빛의 속도는 일정하고 깨지지 않는 장벽으로 간주되며, 거리 측정 수단으로 사용된다. 하지만 얼마나 빠를까?

 

 

 

 

[빛의 속도(c)]

빛은 시속 1,079,252,848.8km(10억7,000만)의 일정한 속도로 이동한다. 이것은 299,792,458 m/s 또는 시간당 약 670,616,629 mph에 달한다. 그 점을 감안한다면, 빛의 속도로 여행할 수 있다면, 1초에 대략 7번 반 정도 지구를 일주할 수 있을 것이다. 한편, 평균 시속 800km(500mph)의 속도로 비행하는 사람은 지구를 한 바퀴 도는 데 50시간이 넘게 걸릴 것이다. 그렇다면 왜 빛의 속도가 천문학적인 거리를 결정하는 데 사용되는 지표가 되는지에 대해서는 놀랄 일이 아니다. 우리가 프록시마 센타우리와 같은 별이 4.25광년 떨어져 있다고 말할 때, 우리는 그곳에 도착하려면 약 4년 3개월 동안 시속 10억 7천만 킬로미터(670,616,629mph)의 일정한 속도로 여행해야 한다고 말하고 있다. 하지만 우리가 어떻게 "광속"에 대한 이 매우 구체적인 측정에 도달했을까?

 

 

[빛 연구의 역사]

크리스티아누 호이겐스는 이 추정치를 사용해 지구 궤도의 직경 추정치와 결합해 22만 km/s의 추정치를 얻었다. 아이작 뉴턴은 또한 뢰머의 계산에 대해 그의 세미나의 작품 옵틱스 (1706)에서 말했다. 지구와 태양 사이의 거리에 맞춰, 그는 빛이 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는 데 7, 8분이 걸릴 것이라고 계산했다. 두 경우 모두 비교적 적은 차이로 탈락했다. 이후 프랑스 물리학자 히폴리테 피조(1819~1896년)와 레옹 푸코(1819~1868년)가 이 측정치를 더욱 정교하게 하여 31만5000km/s(19만2625mi/s)의 값을 얻었다. 그리고 19세기 후반에 이르러 과학자들은 빛과 전자석의 연관성을 알게 되었다.

 

이는 전자기 및 정전기 전하를 측정하는 물리학자에 의해 이루어졌으며, 그 후 수치 값이 빛의 속도(Fizeau가 측정한 바와 같이)에 매우 가깝다는 것을 발견했다. 빈 공간에 전자기파가 전파된다는 것을 보여준 자신의 연구를 바탕으로 독일의 물리학자 빌헬름 에두아르 베버가 빛은 전자기파라고 제안했다. 그 다음 위대한 돌파구는 20세기 초 "움직이는 신체의 전기역학에 대하여"라는 제목의 1905년 논문에서 알버트 아인슈타인은 가속하지 않는 관찰자가 측정한 진공에서의 빛의 속도는 모든 관성 기준 프레임에서 동일하며 출처나 관찰자의 움직임과는 무관하다고 주장했다.

 

아인슈타인은 이것과 갈릴레오의 상대성 원리를 기초로 하여 특수상대성이론을 도출하였는데, 이 이론은 진공(c)에서 빛의 속도가 근본적인 상수였다. 이에 앞서, 과학자들 사이의 실무적인 합의는 우주가 그것의 전파를 책임지는 "유황성 에테르"로 가득 차 있었다. 즉, 움직이는 매체를 통과하는 빛이 매체에 의해 끌려갈 것이라는 것이었다. 이는 결국 빛의 측정된 속도가 매체를 통한 속도에 그 매체의 속도를 더한 단순한 합이라는 것을 의미했다.

 

그러나 아인슈타인의 이론은 정지된 에테르라는 개념을 효과적으로 쓸모없게 만들었고 공간과 시간의 개념에 혁명을 일으켰다. 모든 관성 기준 프레임에서 빛의 속도가 같다는 생각을 진전시켰을 뿐만 아니라, 빛의 속도에 가까워 사물이 움직일 때 큰 변화가 일어난다는 생각을 소개했다. 여기에는 관찰자의 프레임에서 측정했을 때 움직임의 방향으로 속도를 늦추고 수축하는 것으로 보이는 움직이는 신체의 시간 공간 프레임(즉, 빛의 속도가 다가올수록 시간이 느려지는 시간 팽창)이 포함된다. 그의 관찰은 또한 전기와 자력에 대한 맥스웰의 방정식을 역학의 법칙과 조화시켰고, 다른 과학자들이 사용하는 관계없는 설명들을 없앰으로써 수학적 계산을 단순화시켰으며, 직접적으로 관찰된 빛의 속도와 일치시켰다. 20세기 후반에는 레이저 유추계와 캐비티 공명 기술을 사용하여 점점 더 정확한 측정을 하면 빛의 속도 추정치가 더욱 정교해질 것이다. 1972년까지 콜로라도주 볼더에 있는 미국 국가표준국의 한 단체는 레이저 유추계 기법을 사용하여 현재 인식된 값 299,792,458m/s를 얻었다.

 

 

 

[현대 천체물리학의 역활]

 

진공에서 빛의 속도는 선원의 운동과 관측자의 관성 기준 프레임과는 무관하다는 아인슈타인의 이론은 그 후 많은 실험에 의해 일관되게 확인되었다. 그것은 또한 모든 질량이 없는 입자와 파동(빛 포함)이 진공에서 이동할 수 있는 속도에 상한을 설정한다. 이것의 발전 중 하나는 우주론자들이 이제 공간과 시간을 스페이스타임으로 알려진 단일 통일된 구조로 취급한다는 것이다.

 

즉 빛의 속도를 사용하여 양쪽 모두에 대한 값을 정의할 수 있다(예: "광년", "광분", "광초"). 빛의 속도 측정도 우주 팽창 속도를 결정할 때 주요 요인이 되었다. 1920년대 르메트르와 허블에 대한 관측으로 시작된 과학자들과 천문학자들은 우주가 기원지점에서 팽창하고 있다는 것을 알게 되었다. 허블은 또한 은하계가 멀리 있을수록 은하계가 더 빨리 움직이는 것처럼 보인다는 것을 관찰했다. 현재 허블 파라미터라고 불리는 것에서, 우주가 팽창하고 있는 속도는 메가파초 당 68 km/s로 계산된다. 어떤 은하들이 빛의 속도보다 실제로 더 빨리 움직일 수 있다는 이론으로 이론화 되어온 이 현상은 우리 우주에서 관측할 수 있는 것에 한계를 둘 수도 있다.

 

본질적으로 빛의 속도보다 빠르게 이동하는 은하는 우리에게 더 이상 보이지 않는 "우주적 사건 지평선"을 건널 것이다. 또한, 1990년대까지, 먼 은하계의 적색 임시 측정은 우주의 팽창이 지난 수십억 년 동안 가속화되고 있음을 보여주었다. 이것은 "어둠 에너지"와 같은 이론으로 이어졌는데, 보이지 않는 힘이 그것을 통해 움직이는 물체 대신에 공간 자체의 확장을 몰고 있다(즉 빛의 속도에 제약을 두지 않거나 상대성을 위반하지 않는다).

 

특수 상대성 및 일반 상대성 이론과 함께 진공에서 빛의 속도에 대한 현대적 가치는 우주론, 양자물리학, 입자물리학의 표준모델을 알려주기 위해 계속되었다. 질량이 없는 입자가 이동할 수 있는 상한선을 이야기할 때 상수로 남아 있으며, 질량이 있는 입자에 대해서는 도달할 수 없는 장벽으로 남아 있다.

 

어쩌면 언젠가는 빛의 속도를 능가하는 방법을 찾을지도 모른다. 우리가 어떻게 이런 일이 일어날지에 대한 실질적인 아이디어는 없지만, 스마트 머니는 우리가 워프 버블(일명 알쿠비에레 워프 드라이브)을 만들거나, 혹은 그것을 통해 터널을 뚫는 것(일명 웜홀)을 통해 스페이스타임의 법칙을 우회할 수 있게 해주는 기술에 있는 것 같다.

 

그 때까지 우리는 우리가 볼 수 있는 우주에 만족하고, 기존의 방법을 사용하여 도달할 수 있는 그 부분을 탐구하는 것에만 충실해야 할 것이다.

 

 

출처 : www.universetoday.com