빛의 속도는 무엇에 의해 결정되나요?

Question

빛이 이동하는 속도는 어떤 물리적 조건이나 환경에 의해서 정해지고, 매질이 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우에는 어떤 차이가 발생하는지 의견 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

빛의 속도는 진공 상태일 때와 매질 속을 지날 때가 완전히 다른 이야기예요. 진공에서의 빛 속도는 우주에서 가장 근본적인 상수 중 하나로 다뤄지고, 매질 속에서는 그보다 느려지는 게 일반적이거든요.

진공에서 빛은 초당 약 30만 km, 정확히는 299,792,458m/s로 달려요. 이 속도가 왜 하필 이 값이냐고 물으면 답이 의외로 깊어져요. 빛은 전기장과 자기장이 서로를 만들어내며 함께 진행하는 전자기파인데, 이때 속도가 진공의 전기적 성질과 자기적 성질에 의해 결정돼요. 구체적으로는 진공 유전율과 진공 투자율이라는 두 상수의 곱의 제곱근에 반비례하는 값으로 정해진답니다. 즉 빛의 속도는 우주 공간 자체가 가진 전자기적 특성이 빚어내는 결과인 셈이에요.

아인슈타인의 상대성 이론은 여기에 한 가지 더 충격적인 사실을 더해요. 진공에서의 빛 속도는 누가 어디서 어떻게 측정해도 같은 값으로 나오고, 어떤 물체도 이 속도를 넘어설 수 없다는 거예요. 그래서 c라는 기호로 따로 표기하며 우주의 제한 속도처럼 다뤄집니다.

매질 속으로 들어가면 이야기가 달라져요. 물이나 유리, 공기 같은 매질을 지날 때 빛은 진공에서보다 느려져요. 이유는 빛이 매질 속 원자들과 상호작용하기 때문이에요. 빛이 원자에 부딪히면 원자 속 전자들이 그 에너지로 잠깐 진동했다가 다시 빛을 내놓는데, 이 과정이 반복되면서 전체적으로 진행 속도가 늦춰지는 거예요. 마치 빈 도로에서는 시속 100km로 달리던 차가 사람이 많은 거리에서는 자꾸 멈춰 서며 천천히 가게 되는 것과 비슷해요.

매질마다 빛이 얼마나 느려지는지는 굴절률이라는 값으로 표현해요. 굴절률이 1.5인 유리에서는 빛 속도가 진공의 1.5분의 1, 즉 초당 약 20만 km로 떨어져요. 물은 1.33이라 약 22만 5천 km/s, 공기는 1.0003 정도라 거의 진공과 다름없는 속도로 지나간답니다. 이렇게 매질에 따라 속도가 달라지기 때문에 빛이 다른 매질로 들어갈 때 경로가 꺾이는 굴절 현상이 생기는 거예요. 물에 담긴 젓가락이 휘어 보이는 게 그 결과죠.

흥미로운 점은 매질 속에서 느려진 것은 어디까지나 빛이 매질을 통과하며 보이는 평균 속도라는 사실이에요. 원자와 원자 사이의 빈 공간을 지나는 순간만큼은 여전히 c의 속도로 달리고 있답니다. 우주의 제한 속도는 진공에서만 적용되는 절대 기준이고, 매질 속도는 그 기준을 둘러싼 환경적 결과인 셈이에요 :)