광속

광속

광속(光速, speed of light)은 빛의 속도를 뜻한다. 광속은 진공에서 299,792,458 m/s라는 정확한 값이며, 국제적으로 c라고 표기한다. 빛의 속력은 기본 물리 상수로, 길이 단위인 미터(m)는 이것으로부터 정의되었다. 특수상대성이론에 따르면, c는 우주의 모든 에너지, 물질, 정보가 가질 수 있는 속도의 최대값이며, 최근 이론에 따르면 중력파의 속력이기도 하다. 질량이 없는 입자와 장(場; 빛과 같은 전자기 복사를 포함한다)은 c로 진행하며, 관성계에서는 관찰자의 속도와 관계없이 입자와 파동은 c로 진행한다. 상대성이론에 따르면, c는 시간과 공간을 연관시키며, 질량-에너지 등식 E=mc²에도 등장한다. 특수상대성이론에 따르면 모든 움직임, 즉 물질의 이동 속도는 물론, 질량을 가진 게이지 보손도 빛의 속력보다 더 빨리 움직일 수 없다. 오직 불변 질량이 0인 물체(예를 들면 광자)만이 빛의 속력으로 전파될 수 있다.

상세

빛의 속도가 유한하다고 생각하고, 이를 측정하려는 시도가 과학적으로 의미있는 결과를 가져온 최초의 성공적인 사례는 덴마크 천문학자 뢰머(O. Romer, 1644~1710)에 의한 것이다. 뢰머는 목성의 위성인 이오의 그림자가 보이는 현상을 관측하여 빛의 속도가 초속 20만 km 라는 결과를 얻었다. 지구의 공전궤도의 지름을 정확하게 적용했다면, 이보다 훨씬 정확한 만천km/s 의 결과를 얻을 수 있었을 것이다. 이 후로 피조(H. Pizeau, 1819~1896), 푸코우(L. Foucault, 1819-1868), 마이켈슨(A. Michelson,1852-1931) 등에 의해 톱니바퀴, 회전거울 등을 이용해 빛의 속도를 측정하여 현재 알고 있는 값과 거의 같은 결과를 얻었다. 그런데, 1975년 빛의 속도는 m/s 라고 측정값을 발표한 이래, 1981년 국제단위계에서 1m는 "빛이 1초의 299,792,458분의 1이라는 시간 동안 진공 상태에서 나아가는 거리"라고 정의하였고, 이로써 광속 c는 상수가 되었다.

전기, 자기의 연구 과정에서 맥스웰(J. Maxwell, 1831-1879)은 전기와 자기가 통합적으로 설명될 수 있고, 그 결과인 전자기파가 광학에서 연구되어오던 빛과 성질이 같음을 알게 되어, 전자기파가 곧 빛이라는 사실이 밝혀졌다.

빛과 무관해 보이는 유전율(Ⲉ₀), 투자율(μ₀)이 광속과 다음의 식으로 연결되어 있다:

빛이 전자기파라는 것은 파동적인 성질이 있음을 말하는 것이기도 한데, 이럴 경우 파동의 진행을 매개하는 매질의 존재가 요구되었고, 그것을 에테르라고 불렀다. 에테르의 존재를 증명하고자 의도했던 마이컬슨-몰리 실험은 에테르를 통과하는 빛의 상대속도의 변화를 측정하고자 했으나, 결과는 그와는 반대로, 빛의 속도는 변함이 없다는 것이었다. 이로 인해 에테르 이론은 문제가 있음을 밝혀낸 것이 되었다. 이 결과는 오히려 아인슈타인의 상대성이론 가설, 즉 "빛의 속도는 광원과 관측자에 관계없이 일정하다"는 학설을 뒷받침하게 되었다.

한편 빛이 진공이 아닌 매질을 지나갈 때, 매질에서의 빛의 속도(v)는 매질의 굴절률(n)에 의해 그 값이 작아질 수 있고, 아래 식과 같이 표현된다.

v =c/n

특정한 주파수의 빛과 매질의 상호작용이 매우 강하게 일어나는 경우 굴절률 값이 크게 되어, 빛을 매우 느리게 진행하도록 할 수도 있다.

아인슈타인의 특수 상대성 이론

맥스웰 방정식은 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리를 만족하지 않았고 이는 물리학의 난제였다. 이 모순을 해결하기 위해 노력하던 중, 1905년 아인슈타인은 맥스웰의 전자기학 이론과 에테르에 대한 증거 부족에 동기부여를 받아 특수 상대성 이론을 정립했다. 특수상대성 이론은 불명확했던 전자기 이론들을 명확하게 하였다.

아인슈타인의 특수상대성이론은 빛의 속력 불변의 원리를 바탕으로 상대방에 대해 등속으로 움직이는 두 개의 기준틀에서 고전 전자기법칙이 변하지 않고 유지되는 새로운 시공간 개념을 제시한다. 모든 관성좌표계에서 빛의 속력이 일정하다고 가정하면, 서로 다른 속도를 가진 관성좌표계에서 자연법칙은 동일한 형태로 기술될 수 있다. 일반적으로 기본 상수 c 는 시공간 내에서 동일한 값을 가진다고 가정하고 있고 이것은 그것들은 위치나 시간에 비의존적임을 의미한다. 그러나 많은 이론에서 시간에 따라서 빛의 속력이 달라질 수 있다고 주장하고 있다. 아직 빛의 속력이 변한다는 결정적인 증거는 발견되지 않았지만 계속해서 연구가 진행 중이다. 일반적으로 빛의 속력은 등방성이라 가정한다. 이것은 빛의 속력을 측정하는 방향에 영향을 받지 않고 동일한 값을 갖는 것을 의미한다.

특수상대성 이론은 두 개의 가정에 기초한다. 첫 번째로 물리학의 법칙은 모든 관성좌표계에서 일정하게 적용된다는 것이다.

두 번째 가정은 빛의 속력의 불변의 원리이다. 빛의 속력은 관성좌표계와 파원의 움직임과 관계없이 모든 관성좌표계에서 동일한 값(c = 2.99792458*10⁸m/s)을 갖는다. 이 두 개의 가정을 바탕으로 하여 특수 상대성 이론은 반직관적이고 실험적으로 확인되는 예측을 가진다. 이는 시간지연과 길이수축을 포함한다. 시간 지연이란 움직임을 가지는 기준계에서의 시계는 시계에 대해 정지하고 있는 관찰자가 측정한 시간은 고유 시간보다 천천히 간다는 것이다. 길이 역시 기준계에 대해 다르게 측정된다. 길이 수축이라는 것은 움직이는 기준계의 관찰자가 측정한 물체의 길이는 고유길이보다 짧다는 것이다. 고유길이란 고유 시간과 같이 그 물체에 대해 정지해 있는 관찰자가 측정한 길이를 말한다.

로렌츠 상수라고 알려진 길이 수축과 시간 지연 앞에 붙는 상수 γ의 식은 γ=1/(1- v²/c²)¹/² 으로 주어진다. 여기서 v는 물체의 속도를 말한다. 1과 γ 의 차이는 일반적으로 무시할 수 있는데, 왜냐 하면 대부분의 물체는 빛보다 훨씬 느리기 때문이다. 하지만 이것은 상대론적 속도에서 증가되고 v가 빛의 속력에 가까워지면, 무한대로 발산하게 된다.

빛의 속력에는 일방속력(one –way speed)과 쌍방속력(two-way speed)이 존재한다. One-way speed of light의 예로는 빛이 광원에서 먼 관측자로 이동하는 경우의 속력이 있다. Two-way speed of light의 예로는 빛이 광원에서 나가서 거울에 반사되어 다시 돌아오는 경우의 속력이 있다. 실험적으로는 two- way speed of light만이 측정가능하다. 하지만, 시계가 광원과 관측자의 위치에서 동기화된다는 가정이 없다면 one- way speed of light는 측정 불가능하다. 그러나 아인슈타인의 시계의 동기화의 개념을 채택하면, 빛의 one- way speed of light 는 빛의 two-way speed of light와 정의에 의해 같아진다.

참고자료

• 〈빛의 속력〉, 《위키백과》
• 〈광속〉, 《나무위키》
• 〈광속〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 빛
• 전자기파
• 맥스웰 방정식

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