빛의 속도 측정?- 광속 불변의 원리

아인슈타인의 특수 상대성 이론은 빛의 속도가 우주 공간에서 항상 일정하다는 광속 불변의 원리를 통해 나왔다. 빛의 속도가 변하지 않고 일정하다는 것은 어떤 실험으로 알 수 있었을까?

 

빛의 속도는 약 30만 km/s이다. 처음 빛의 속도를 측정하는 것을 시도한 사람은 갈릴레오였다. 빛의 속도는 사람의 빛에 대한 반응 시간에 비해 훨씬 빠르기 때문에 측정할 수 없었다. 그 후 여러 과학자들은 소리나, 탄성파, 수면파와 같은 파동은 매질을 통해 전달되기에 빛도 매질을 통해 전달될 것으로 생각했다. 과학자들은 이 가상의 매질을 에테르라 불렀고, 에테르의 존재를 확인하려고 여러 실험을 하였다.

 

흐르는 강물 위에서 배가 이동할 때 강물을 다라 내려가는 경우와 거슬러 올라가는 경우, 배의 속도는 달라진다. 배가 강물을 다라 내려갈 대에는 속도가 능가하고, 물살을 거슬러 올라갈 때는 속도가 내려간다. 빛을 전달하는데 매질이 필요하다면 에테르 흐름 속에서 지구가 이동할 때 흐름을 타고 운동하는 경우와 거슬러 운동하는 경우, 빛의 속도는 달라져야 할 것이다. 그래서 에테르가 존재한다면 에테르 흐름 속에서 지구가 이동할 때 빛의 속도가 다르게 될 것으로 기대했다. 그런데 실제 관측 결과는 그렇지 않았다. 

 

 과학자 마이컬슨과 몰리는 빛의 속력을 측정하는 실험을 통해 에테르의 존재를 밝히고자 하였다. 그러나 마이컬슨과 몰리는 여러 차례 정교한 실험을 거듭했으나, 빛의 속력 변화를 볼 수 없었다. 캘리포니아의 35km 정도 떨어진 두 산 정상에 거울을 설치하고 실험한 결과, 빛의 속도가 29만 9774km/s라는 것을 알아냈다. 즉, 실험 결과 에테르가 없다는 것을 알게 되었고, 빛을 전달하는 매질인 에테르가 없기에 빛의 속도가 일정하다는 것도 알게 되었다.

 

 빛의 속도가 일정하다는 말은 다른 운동 상태에 있는 여러 관측자가 어떤 특별한 빛의 흐름을 측정하더라도 같은 속도로 측정된다는 것을 의미한다. 관측자가 빛의 방향으로 움직이거나, 반대 방향으로 움직이거나 또는 전혀 움직이지 않더라고 빛의 속도에 영향을 미치지 않는다. 또한, 빛은 관측자가 얼마나 빠르게 움직이고 있는가에도 영향을 받지 않는다. 다시 말해 빛의 속도는 다른 물체들 간의 상대 속도와 전혀 상관이 없이 항상 일정하다는 것이다. 아인슈타인은 빛의 속도가 일정하다는 이 실험 결과로부터 빛의 속도가 관찰자의 운동과 무관하다는 가정을 세웠다. 이 가정을 통해 아인슈타인은 질량-에너지 등가 원리를 담은 시간과 공간에 대한 새로운 해석을 이끌어낸 특수 상대성 이론을 1905년 내놓게 된 것이다.

 

빛의 속도(Speed light)인 광속은 진공에서 정확한 값으로 299 792 458m/s이며 국제적으로 c라고 표기한다. 근삿값으로 30만 km/s이다. 빛의 속력은 기본 물리 상수로 우주의 모든 에너지, 물질, 정보가 가질 수 있는 속도의 최댓값이며, 최근 이론에 따르면 중력파의 속력이기도 하다. 질량이 없는 입자와 장은 빛의 속도로 진행하며 관성계에서는 관찰자의 속도와 관계없이 입자와 파동은 빛의 속도로 진행한다.  특수 상대성 이론에 따르면 물질의 이동 속도는 빛의 속력보다 더 빨리 움직일 수 없고 질량이 0인 물체반이 빛의 속력으로 전파될 수 있다고 한다. 참고로 빛의 속도로 1년 동안 이동한 거리를 광년이라고 한다.