언제나 일정한 빛의 속도?

빛은 광원과 관찰자의 움직임에 무관하게 동일한 속도로 이동합니다. 1887년 마이컬슨-몰리 실험에 의해 빛의 속도가 고정되어 있음이 입증되었습니다. 빛의 속도가 고정되어 있다는 사실은 우주를 이해하기 위한 초석이 되었습니다.

 

 

 

1. 빛의 속도

 빛의 속도를 과학적으로 측정하려는 첫 번째 시도는 1638년 갈릴레오 갈릴레이에 의해 이뤄졌습니다. 갈릴레이의 실험은 부정확했지만 빛이 소리보다 훨씬 빠른 속도로 이동한다는 사실을 알게 됐습니다. 그는 목성의 갈릴레이 위성들을 발견하는 과정에서 빛의 속도가 유한하다는 것을 입증했습니다.

 1660년대까지 목성의 갈릴레이 위성들의 공전 주기는 잘 알려져 있었습니다. 1660년대에 이탈리아 천문학자 조반니 도메니코 카시니는 갈릴레이 위성들이 목성 뒤로 사라지는 식 현상과 위성들 및 그 그림자들이 목성의 표면을 가로지르는 현상들을 연구하기 시작했고, 이 현상들이 일어날 것이라 예측된 시간에 오차가 발생한다는 것을 알아냈습니다. 그리고 이 오차는 지구에서 목성까지의 거리가 변함에 따라 빛이 지구에 도달하는 데 걸리는 시간이 변하기 때문이라는 사실을 깨달았습니다. 그 이후에 올레 뢰머는 빛의 속도를 현재 우리가 알고 있는 속도의 75퍼센트 정도의 값으로 추정함으로써 이 오차의 정확한 값을 계산해냈습니다.

 

 1720년대에 영국의 천문학자 제임스 브래들리가 빛의 속도가 유한하다는 사실을 이용해 광행차 현상(별의 한쪽 궤도와 그 반대쪽 궤도에서 측정한 별의 겉보기 위치가 미세하게 변하는 현상)을 설명했습니다. 이 덕분에 브래들리는 빛의 속도를 현재 우리가 알고 있는 속도인 299,792km/s의 1퍼센트 이내의 오차로 정확하게 측정할 수 있었습니다.

 

 19세기에 측정 기술이 발전하면서 과학자들은 광원이나 관찰자의 움직임과 상관없이 빛의 속도가 항상 일정하다는 사실을 깨달았습니다. 1865년에 제임스 클러크 맥스웰은 빛을 전자기파로 간주함으로써 모든 전자기 복사는 고정된 속도로 진공 속을 이동한다는 사실을 보여줬습니다.

 

 하지만 대부분의 과학자들은 음파가 공기를 통해 이동하거나 물결 파가 물을 가로지르는 것처럼 파동은 매질을 통해서만 이동할 수 있다고 생각했습니다. 우주의 진공을 가득 채우고 있어야 할 미스터리한 빛의 매질에 에테르라는 이름을 붙였습니다.

 

 1887년 미국의 과학자 앨버트 마이컬슨과 에드워드 몰리는 독창적인 실험 장치를 고안했는데 이것은 에테르 속에서의 지구의 움직임에 기인하는, 서로 다른 방향으로 움직이는 빛의 속도의 차이를 측정하기 위한 것이었습니다. 마이컬슨-몰리의 실험 결과, 그러한 차이가 존재한다는 증거를 발견하지 못했고, 이때부터 과학자들은 에테르 이론이 거짓일지도 모른다고 생각하게 되었습니다.

 

 

 2. 특수 상대성 이론

 1905년 알베르트 아인슈타인은 과학혁명을 촉발시킨 논문들을 출간했습니다. 그는 상대성의 원리와 광속 불변의 원리로 물리학을 다시 구성하였습니다. 상대성의 원리란 등속으로 운동하는 기준틀 안에 존재하는 모든 시스템에 대해서 물리 법칙들은 완벽히 동일하게 보여야 한다는 것이며, 광속 불변의 원리란 빛은 항상 진공 속을 동일한 속도로 이동한다는 것입니다.

 

 이로부터 도출된 특수 상대성 이론은 상대론적 속도로 움직이는 물체들에 대해 시간이 느리게 가는 것처럼 보이는 시간 지연 현상과, 물체의 길이가 변하는 것처럼 보이는 피츠제럴드-로렌츠 수축 현상과 같은 신기한 현상들이 어떻게 나타나는지 보여줬습니다. 더 신기한 것은, 물체가 빛의 속도에 가까워짐에 따라 가속도는 물체의 속도가 아니라 질량을 증가시킵니다. 한편, 빛이 고정된 속도로 진공을 이동하는 현상을 설명하기 위해서는 아인슈타인의 또 다른 성과인 빛의 양자 이론이 필요했습니다.

특수-상대성-이론(출처:동아사이언스)

 이런 예측들은 이상해 보이지만 수많은 실험들을 통해 증명됐고, 오늘날의 우주탐사선이나 인공위성들은 모두 상대론적 현상을 고려해 설계됩니다.

 

빛의 속도는 우리가 흔히 일상생활에서 접할 수 있는 물질들의 속도와는 다르기에 이해하기 조금 어렵기도 하고 신기하기도 한 것 같습니다. 그럼 저는 다음에 또 새롭고 흥미로운 주제로 찾아오겠습니다 :)

 

 

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