[Science Cookie] 대체 빛의 속도를 어떻게 알아냈을까?

 

 

 

과학을 공부해 본 사람이라면 어쩌면 한 번쯤은 해보았을 상상

여러분은 해보셨나요?

바로 '빛의 속도를 뛰어 넘을 수 있는 무언가가 있지 않을까?'라는 상상인데요.

 

이런 상상은 우리가 알고 있는 과학 지식인

'빛의 속도는 우주에서 가장 빠른 속도다' 에서부터 출발합니다.

절대로 가속으로는 빛의 속도를 따라잡을 수 없으며

그 속도는 299,792,458m/s로 우리가 알고 있는 고정값이죠.

 

그런데 여러분, 궁금한게 있어요.

이렇게 빠른 빛의 속도를 과학자들은 도대체 어떻게 알아낸 걸까요?

아니 애초에 이런 빛의 속도를 측정할 수 있을 만한 장치를

인간이 만들 순 있는 걸까요?

 

오늘은 바로 그 절대 측정할 수 없을 것 같던 빛의 속도를

과학자들이 어떻게 알아냈는지

그 과정을 과학쿠키와 함께 들여다보도록 하겠습니다.

 

빛의 속도에 관한 최초의 기록은

고대 그리스의 과학자였던 엠페도클레스의 주장으로부터 시작됩니다.

엠페도클레스에 따르면 빛은 사물처럼 움직이는 것으로서

모든 사물이 움직일 때와 마찬가지로

이동하는데 걸리는 시간이 필요하다고 주장했죠.

 

반면 아리스토텔레스는

빛은 움직이는 것이 아닌 무언가 신적인 존재 때문에

어디에서나 발생하는 것이라고 설명하였습니다.

 

세대를 거듭해 프톨레마이오스의 시대가 되면

참으로 기묘한 주장이 하나 등장하게 되는데요.

Emission Theory of Vision이라는

사람의 눈으로부터 빛이 나오기 때문에

사물을 볼 수 있다는 의견이 바로 그것이죠.

 

이 이론에 기초하여 알렉산드리아의 발명가였던 헤론은

우주의 머나먼 곳에 존재하는 별과 같이

멀리 떨어진 물체를 눈을 뜸과 동시에 바로 볼 수 있다는 사실을 통해

빛의 속도가 무한하다고 주장하였어요.

 

이후 빛의 속도는 유한하다와 무한하다의 사이에서

끊임없이 격돌하다가

결국 시대는 중세를 거쳐서 르네상스를 맞이하게 됩니다.

 

천문 현상을 기하학적 방법으로 해석하려 했던 17세기의 과학자, 요하네스 케플러는

우주가 텅텅 비어 있으며, 장애물이 없다는 것을 깨달은 뒤부터

빛의 속도가 유한하다고 믿었습니다.

 

하지만 17세기를 대표하는 철학자, 데카르트는

만약 빛의 속도가 유한하다면

태양-지구-달의 순서로 정렬되어 일어나는 현상인 월식에 문제가 생겨

월식 때 행성이 일렬에서 벗어날 것이라는 반박을 했죠.

당시에는 행성이 일렬로 정렬한 지 아닌지를 알 방도가 없었기 때문에

이러한 주장이 합리적으로 받아들여지게 되어

빛의 속도는 무한하다는 것으로서 널리 알려지게 됩니다.

 

그러나 몇몇 과학자들은 빛의 속도를 추적하는 실험을 포기하지 않고

끊임없이 그 길을 따라서 계속 연구에 몰두하였는데요.

1638년, 갈릴레오 갈릴레이는 빛의 속도를 구하기 위해

덮개가 있는 등불 2개를 이용한 실험을 구상하게 되는데요

이탈리아의 플로렌스에서 5마일 떨어진 장소에

덮개가 있는 등불을 지닌 사람을 배치해두고

자신의 등불의 덮개를 열어

5마일 떨어진 사람이 갈릴레이의 등불을 보게 하도록 하고

바로 그 순간 그 사람 또한 덮개를 열어

다시 빛이 갈릴레이에게 도달하는 시간차를 이용해

빛의 속도를 구해내려 했으나

덮개를 여는 순간 5마일 떨어진 곳에서 바로 등불이 보이는 것을 확인받았을 뿐

빛의 속도를 측정하려는 시도는 아쉽게도 실패하게 됩니다.

 

그도 그럴 것이 빛의 속도는 299,792,458m를

겨우 1초 만에 이동하기 때문에

겨우 5마일, 환산하면 8km밖에 안 되는 거리를 왕복한다 한들

끽해봤자 0.05 마이크로초일 텐데

그걸 슈퍼맨도 아니고 인간이 인지할 수는 없겠죠?

 

때문에 갈릴레오는 만약에 빛의 속도가 존재한다면

'그건 사람이 인지할 수 없을 정도로 어마어마하게 빠를 것이다.'라고 결론을 내려 버리게 됩니다.

 

당시의 저명한 과학자였던 갈릴레오 갈릴레이마저도 측정하지 못한 빛의 속도

결국에는 무한한 것으로 끝나는가 싶었는데

1676년, 덴마크의 천문학자였던 올레 뢰머에 의해

'지구 위에서 측정할 수 없다면, 우주 스케일로 끌고 나가면 된다.'라는 생각을 통해

빛의 속도를 측정할 만한 실마리를 얻어내게 됩니다.

 

뢰머는 달이 지구의 그림자에 가려지는 월식처럼

목성 주변을 공전하고 있는 위성 '이오'가

목성 그림자에 가려지는 식을 관찰하면서

놀라운 결과를 알아내게 되는데

바로 지구가 목성과 가까운 궤도상에 위치해 있을 때의 목성의 식 발생 시간과

목성과 먼 궤도 상에 위치해 있을 때의 식 발생 시간 사이에

약 22분 정도의 시간 차이가 발생한다는 것을

관측을 통해 알아내게 됩니다.

 

따라서, 지구와 태양 사이의 거리만 정확하게 측정해낸다면

L과 K 또는 G와 F의 거리를 이용해

빛의 속도를 계산해 낼 수 있는 것이죠.

 

그렇게 해서 산출된 빛의 속도는 약 212,000,000m/s로서

이는 현재 빛의 속도의 약 26퍼센트 정도의 오차 범위를 가지지만

최초로 빛의 속도를 수치적으로 정밀하게 측정하려고 했다는

커다란 의의를 가지게 됩니다.

 

이후 1729년, 영국의 천문학자였던 제임스 브래들리에 의해

지구가 계속 공전하고 있기 때문에 지구로 입사되어 들어오는 빛이

지구로 출발했을 때와는 다른 각도로 입사된다는

광행차를 발견하게 되면서

이러한 광행차를 통해 태양으로부터 지구까지 빛이 도달하는 데까지 걸리는 시간이

8분 12초라는 사실을 수식적으로 발견하게 되죠.

 

이러한 수식적 결과들이 도출되면서 과학계의 분위기 또한

빛의 속도는 무한하지 않고

유한하면서 특정한 어떠한 값을 가지긴 하는데

그 실험방법을 어떻게 설계하느냐에 따라서

이 값을 얼만큼 정밀하게 측정해낼 수 있는가,

'정밀성'에 포커스를 맞추게 됩니다.

조금 더 정밀한 방법으로 빛의 속도를 측정하기 위한

시도들을 진행했다는 뜻이죠.

 

그렇게 시간이 흐르고, 기계공학이 발달하게 된 산업 혁명을 통해

실험 장비들의 기계식화가 진행됨에 따라

천문현상에 의존하던 기존의 방법과는 달리

좀 더 정밀하게 빛의 속도를 측정할 만한 실험을 고안할 수 있게 되고

 

프랑스의 물리학자인 이폴리트 피조에 의해

회전하는 톱니에 입사된 빛이 반사하여 나오게 되도록 설계한

피조의 톱니바퀴를 통해

톱니에 완벽하게 빛이 가려지게 되는 순간의 톱니의 회전속도를 이용하여

빛을 속도를 상당히 근접한 값인 약 313,000,000m/s,

현재 빛의 속도의 거의 4.5퍼센트의 오차 범위라는

획기적인 결과를 산출할 수 있게 됩니다.

 

이후, 피조의 친구이자 또 한 명의 프랑스의 과학자, 푸코는

피조의 방법에 정밀성을 더 높여

이번에는 톱니바퀴가 아닌

회전하는 거울을 이용하는 방법을 고안하게 됨으로써

약 298,000,000m/s라는, 피조보다 훨씬 정밀한

현재 빛의 속도에서 오차 범위 0.6퍼센트라는

기적의 산출을 해 내게 됩니다.

 

이후, 19세기를 눈부시게 빛내며

전기학과 자기학을 수학적 방법을 통해

전자기학이라는 하나의 학문으로 통합한 천재, 제임스 클러크 맥스웰에 의해

이론 물리학적으로 선출된 전자기파의 전파속도를 계산한 값이

푸코가 산출해 낸 빛의 속력과 매우 유사하다는 결과로부터

빛은 전자기파의 일종이라는 결론을 내리게 되며

이때 수식적으로 얻은 빛의 속도 c는

c=1/√(ε_0μ_0) 로 정의하게 됩니다.

 

이후 20세기 중반부터 말까지

빛의 속도를 조금 더 정밀하게 측정하려는 실험들이 생겨났고

진공에서의 빛의 속도 c는

299,792,456.2에 +,- 1.1m/s라는 오차를 갖는다는 사실을 마지막으로

1983년에 개최된 17회 국제 도량형 총회(CGPM)을 통해

1m의 정의를

빛이 1/299792458초 동안 움직인 거리로 정의함과 동시에

자연스레 빛의 속도 c=299,792,458m/s라는 정확한 값을 가지게 되죠.

 

이것이 현재 우리가 사용하고 있는 1m의 국제단위가 되었으며

기존에 사용했던 온도에 따라서 환경에 따라서 변하는 기준이었던 1m가 아닌

절대 불변하는 빛의 속도를 이용해 1m를 다시 재정의함으로써

전 세계 어디에서나 어느 환경에서나 변하지 않는 1m를

우리가 가지게 됨과 동시에

빛의 속도 또한 고정된 값으로 자리매김하게 됩니다.

 

지금까지 여러분은 빛의 속도를 측정하기 위한 역사

광속 측정의 역사를 과학쿠키와 함께 알아보셨고요.

 

이러한 과학의 역사 이야기를 여러분께 전달할 때,

매번 느끼게 되는 감정이 있습니다.

현재 우리가 만끽하고 있는 찬란한 과학의 문명을

마치 숨 쉬듯이 당연하게 누리는 우리들 이전에

수많은 순수 과학적 연구와 발견을 가능하게 했던

인간의 호기심은 정말 위대하다는 사실을요.

 

과학쿠키였습니다.

감사합니다.