빛의 속도

특수상대성이론에 따르면, 질량이 0인 모든 입자(특히 광자)는 정해진 최대 속도 c로만 이동할 수 있으며, 질량이 0보다 큰 모든 입자는 정지 상태에서 어떻게 가속을 해도 그 속도가 c를 넘을 수 없다.¹⁾ 따라서 빛의 속도 c는 일종의 최후의 물리적 한계라 할 수 있다.

빛의 속도는 17세기로부터 20세기 중반까지 지속된 관측 및 연구를 통해 그 값과 함의가 분명해졌다. 대략적으로 정리하면,

1675: Ole Rømer가 목성의위성들을 관측하여 빛의 속도가 유한함을 확인했다. Christiaan Huygens는 이를 바탕으로 처음으로 빛의 속도를 예상했는데, 이 값(22만 km/s)은 현재 알려진 값과 "고작" 30% 정도 밖에 차이나지 않는다.
1725: James Bradley가 광행차를 발견한다.
1849~1862: Hippolyte Fizeau와 Léon Foucault가 회전 거울 및 톱니바퀴를 사용해서 빛의 속도를 상당한 정밀도(나중 실험 결과는 1% 오차에 근접하기까지 했다)로 측정해 냈다. 또한 이 과정에서 물 속에서의 빛의 속도가 공기 중보다 낮다는 것도 밝혀졌다.
1887: Albert Michelson과 Edward Morley이 빛의 전파에 매질이 전혀 필요하지 않음을 증명한다. (마이켈슨몰리실험 참고) 이 매질은 흔히 에테르(aether)라고 불렸으나 이 실험을 통해 그 존재가 완벽하게 부정되었다.
1905: Albert Einstein이 특수상대성이론을 통해 빛의 속도가 우주에서 질량 있는 물질이 가질 수 있는 최대 속도임을 보였다. 이 결과는 (우연히도) Hendrik Lorentz가 에테르를 가정하고 만든 체계(로렌츠변환)와 크게 다르지 않았지만 그 과정은 크게 다르다.
1972: 빛의 속도가 1 m/s 안팎의 오차로 측정된다. 이 수준으로 빛의 속도가 측정되자 미터의 정의에 문제가 있다는 게 드러난다²⁾.
1983: 미터의 재정의와 함께, 진공에서의 빛의 속도가 1972년 측정값에 기반한 유효 자릿수 9자리짜리 수치(2 9979 2458 m/s)로 정의된다. ~~이제 더 이상 측정을 할 필요가 없구나!~~

빛의 속도는 단순한 물리학적 속도의 한계 말고도 여러 의미를 함께 가지고 있는데, 그 유명한 E = mc^2 수식은 질량과 에너지가 연관되어 있다는 것을 함의한다. 또한 빛의 속도를 포함한 여러 물리 상수를 가지고 만든 플랑크단위는 여러 의미를 가지고 있다.

같이 보기

초광속 (Faster-than-light)

물리학

¹⁾ 여기서는 질량이 실수인 경우만 생각한다. 질량이 허수가 될 경우 (그 물리학적 의미는 차치하고라도) "그 속도가 c 이하로 떨어질 수 없는" 입자를 만들 수 있는데, 이를 타키온이라 하나 발견된 적은 없다.

²⁾ 크립톤-86 원자의 두 에너지준위 간격에 대응하는 복사파의 파장을 기준으로 정의했는데, 이 복사파가 한 파장만 가지고 있는 게 아니라는 게 나중에 밝혀졌다. 따라서 일정 정밀도를 넘어 가면 여러 복사파를 관측할 수 있는데 이 중 어느 걸 택해야 할지 알 수 없게 된다.