빛의 속도를 계산하는 공식은 무엇인가요?
핸드폰으로 불빛을 비추면 빛이 순식간에 이동하는 모습이 보이는데요. 빛이 이동하는 속도를 측정하는 방법이 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요.
빛의 속도는 물리학에서 가장 중요한 상수 중 하나로, 진공에서 약 299,792,458 m/s의 값을 가집니다. 이를 수식으로 표현하면 :
c = λν
여기서, c는 빛의 속도(약 3.00 x 10⁸ m/s), λ(람다)는 빛의 파장(미터 단위), ν는 빛의 진동수(초당 주기 ; Hz)입니다. 즉, 빛의 속도는 주어진 매질에서 파장과 진동수의 곱으로 결정되며, 진공에서는 항상 일정한 값을 가집니다.
빛은 인간이 감지할 수 없는 매우 빠른 속도로 이동하기 때문에, 역사적으로 이를 정밀하게 측정하기 위해 다양한 실험적 방법이 개발되었습니다. 프랑스의 천문학자 올레 뢰머(Ole Rømer, 1676년)는 목성의 위성인 이오(Io)의 공전 주기를 관측하는 과정에서, 빛이 유한한 속도를 가진다는 사실을 최초로 밝혀냈습니다. 지구가 태양을 중심으로 공전하면서 목성으로부터의 거리가 달라질 때, 이오의 식(목성 그림자에 가려지는 현상)이 예상 시간보다 늦어지거나 빨라지는 현상을 발견하였고, 이를 바탕으로 빛의 속도를 약 220,000 km/s로 추정하였습니다. 이는 현대적인 값에 비하면 다소 오차가 있지만, 빛의 속도가 무한대가 아니라는 점을 최초로 과학적으로 증명한 중요한 연구였습니다.
현대적인 측정 방법으로는 레이저 간섭계(laser interferometry), 광섬유 기반 실험(optical fiber-based experiments), 원자시계(atomic clocks)를 활용한 전자기파 측정과 같은 기술이 사용됩니다. 국제도량형총회(CIPM)는 1983년, 1초 동안 빛이 진공에서 이동하는 거리를 기준으로 1미터(m)의 길이를 정의하면서, 빛의 속도를 299,792,458 m.s로 고정된 값으로 정의하였습니다.
핸드폰의 플래시에서 방출된 빛은 너무 빠르게 이동하기 때문에, 일반적인 카메라 센서로는 빛이 이동하는 모습을 직접 관찰할 수 없습니다. 그러나 최근에는 초고속 카메라(ultrafast camera ; 펨토초 카메라) 기술을 활용하여 빛이 움직이는 모습을 촬영하는 연구가 진행되고 있습니다. 예컨데, MIT의 연구팀에서는 1조 프레임/초(femtophotography) 카메라를 사용하여 빛이 물체에 반사되는 순간을 포착하는데 성공하였습니다.