2025. 4. 3. 13:28ㆍ카테고리 없음
아리스토텔레스와 갈릴레오
빛의 속도는 얼마 일까?
과거 사람들은 빛의 속도에 대한 개념이 없었다.
기원전 4세기 아리스토텔레스(Aristotle)는 빛은 순간적으로 전달된다라고 빛의 속도를 이야기했으며 갈릴레오는 산 꼭대기에서 두 사람이 랜턴을 켜는 방식으로 실험했지만, 빛의 속도가 너무 빨라 실패했다.
그렇다면, 최초로 빛의 속도를 측정한 사람은 누구일까?
뢰머의 측정
올레 뢰머(Ole Rømer, 1676년)의 위대한 발견은 빛이 속도가 있다는 가설을 이루어낸 사람이다.
덴마크 천문학자 뢰머는 1676년, 목성의 위성인 이오(Io)를 관찰하다가 우연히 빛의 속도를 측정하게 된다.
뢰머는 목성의 위성을 이용하여 빛이 속도를 계산해 낸다.
목성의 위성 이오(Io)는 일정한 주기로 목성의 그림자에서 나타났다 사라졌다를 반복하였는데 지구가 목성에 가까울 때와 멀어질 때, 이오의 출현 시각이 다르게 측정됨을 알게 된다.
지구가 목성에 가까울 때는 이오가 예측된 시간에 나타났고 지구가 목성에서 멀어질 때는 이오가 예측보다 늦게 나타남을 알게 되어 뢰머는 "이 시간 차이는 빛이 이동하는 데 걸리는 시간 때문"이라고 생각했다
지구가 태양 주위를 공전하며 목성에서 멀어질 때, 빛이 더 오랜 시간이 걸려서 도달하는 것을 계산했고, 빛의 속도를 추정할 수 있었다.
뢰머는 빛이 지구-태양 거리(약 1억 5천만 km)를 이동하는 데 약 22분이 걸린다고 추정했다.
하지만 실제 값은 약 8분 20초이므로, 계산이 완벽하지는 않았다. 그래도 빛의 속도가 유한하다는 걸 최초로 입증한 엄청난 발견이 되었던 것이다.
크리스티안 호이겐스와 제임스 브래들리
1690년대 네덜란드의 수학자이자 물리학자인 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens)는 뢰머의 데이터를 기반으로 빛의 속도를 약 212,000 km/s로 계산하였다. 실제 값보다 낮았지만 의미 있는 수치였다.
1728년 영국의 천문학자 제임스 브래들리(James Bradley)는 "광행차(aberration of light)"를 이용해 빛의 속도를 더욱 정밀하게 계산 (약 298,000 km/s)해 낸다.
이후 19세기와 20세기에 걸쳐 실험이 발전하며 현재의 정확한 값(299,792,458 m/s)이 확립되었다.
아르망 피조의 실험
피조는 1849년에 톱니바퀴 회전법(Fizeau's toothed wheel experiment)을 이용해 빛의 속도를 측정했다.
실험 방법은 광원에서 나온 빛을 반사 거울로 향하게 하고 톱니바퀴 회전하여 빛이 회전하는 톱니바퀴의 틈을 통해 지나가도록 배치한다.
빛이 일정 거리(약 8km) 떨어진 반사경에 도달한 후 다시 돌아와 빛이 가려지는 현상 관찰하였으며 톱니바퀴의 속도를 조절하며 빛이 돌아오는 타이밍을 맞춰 가려지는 순간을 분석하였다.
측정 결과 피조는 빛의 속도를 약 315,000 km/s로 계산했으며, 이는 실제 값(약 299,792 km/s)에 근접한 매우 정확한 수치였다.
그의 실험은 당시로서는 혁신적이었으며, 이후 레옹 푸코(Léon Foucault)가 보다 정밀한 측정법을 개발하는 계기가 되었다.
현대 기술의 빛의 속도 측정
현대 기술로 측정하는 방법은 레이저를 반사 거울에 쏘고 돌아오는 시간을 초정밀 시계 즉, 원자시계로 측정하여 속도를 구한다.
1km 거리의 반사경에 빛이 도달 후 돌아오는 시간을 계산한 것이다.
이 방법은 매우 정확해서 빛의 속도 공식값을 결정하는 데 사용되었다. 레이저는 직진성이 강하여 신호가 정확하고 실험 장비의 오차가 거의 없기 때문에 현대에서는 이렇게 빛의 속도를 측정한다.
빛의 속도는 299,792,458 m/s.