빛의 특별한 성질과 빛의 속도가 유한하다는 사실 발견 배경

빛의 특별한 성질과 빛의 속도가 유한하다는 사실 발견 배경

빛의 특별한 성질과 빛의 속도가 유한하다는 사실 발견 배경

우주에서 빛이라고 하는 것은 사실상 우주의 전부라고 해도 과언이 아닙니다. 별을 바라보는 우리는 결코 별을 만져볼 수도 없고, 직접 가서 별의 상태를 이해해볼 수도 없습니다. 다만, 별에서 오는 빛을 보고 분석해서 이해할 뿐입니다. 별과 우주가 우리에게 주는 정보는 오직 빛, 그 빛이 전부입니다. 그러므로, 광활한 우주의 특성을 정확하게 이해하기 위해서는 빛의 기본 특성을 잘 이해해야 합니다. 자연계에서 빛은 매우 특별하고, 특이한 성질들을 가지고 있습니다. 빛의 특별한 성질은 매우 다양합니다.

빛의 특별한 성질 3가지

그중에서 가장 특이한 것들로는 다음 세 가지를 제시해보겠습니다. 첫째는 빛의 속력이 유한하다는 것입니다. 즉 빛은 초속 30만 km의 유한한 속력을 가지고 있습니다. 그리고 둘째, 빛은 파동의 특성을 가지고 있다고 하는 것입니다. 물론, 빛은 입자의 특성도 가지고 있어서, 파동과 입자의 이중성을 갖고 있다고 이야기합니다. 셋째, 공간 속에 떠돌아다니는 빛은 그 파장과 에너지가 공간의 변화에 따라서, 변할 수 있다는 것입니다. 이와 같은 빛의 특성을 잘 이해하고, 우주의 별들과 천체로부터 우리에게 오는 빛의 정보를 잘 분석해보면, 우주의 본질에 대한 놀라운 비밀을 비교적 쉽게 이해할 수 있습니다. 빛의 속력이 유한하다는 빛의 특성이 우리에게 주는 정보는 무엇인가? 그 정보는 바로, 우리가 보는 별들과 우주의 모든 모습은 과거의 모습이다 라는 사실을 이해할 수 있는 것입니다. 다시 한번, 예를 들어보겠습니다. 우리 지구로부터 가장 가까이 있는 별, 즉 태양, 태양을 생각해 봅니다. 태양은 우리로부터 1억 5천만 km 떨어져 있습니다. 이것을 빛의 속력으로 환산하면, 약 8분의 거리에 해당됩니다. 우리가 지금 보는 태양은 사실상 8분 전의 태양인 것입니다. 8분 전에 태양의 표면을 출발한 빛이 바로 지금 이 순간 우리 눈에 와닿는 것입니다. 우리 태양계로부터 가장 가까이 있는 별은 센타우루스 자리의 알파라는 별입니다. 우리로부터 약 4광년 떨어져 있습니다. 때문에, 지금 이 순간, 지구 상에서 보는 센타우르스 자리 알파 별은 4년 전에 그 별을 출발한 빛, 즉 4년 전, 그 별의 모습인 것입니다. 좀 더 멀리, 북반구 하늘에서 보이는 은하들 중에서 우리로부터 가장 가까이 있는 외부은하는 안드로메다 은하입니다. 이 은하는 우리로부터 약 300만 광년 떨어져 있습니다. 우리가 지금 보는 이 은하는 300만 년 전의 모습입니다. 지금 이 순간, 안드로메다 은하가 어떤 모습을 하고 있는지 우리가 알고 싶으면 300만 년을 기다려야 하는 것입니다. 100억 광년 떨어진 지역에 대하여, 허블 우주망원경이 촬영한 허블 딥 필드라는 사진은, 100억 년 전 우주의 모습입니다. 즉, 우주의 나이를 137억 년이라고 할 때, 우주가 생겨난 이후 약 40억 년이 지난 모습입니다. 우주의 초기의 모습을 우리가 직접 보고 있다는 것입니다.

빛의 속력이 유한하다는 사실을 알게 된 역사

여기서 잠깐, 빛의 속력이 유한하다는 사실을 알게 된 역사를 잠시 알아보겠습니다. 오래전 과거에는, 빛은 생김과 동시에 무한한 속력으로 이동하는 것으로 생각했습니다. 즉, 별이 있으면, 바로 그 순간 우리에게 빛으로 감지된다고 생각한 것입니다. 그러나, 현재의 과학적 연구로부터, 빛의 속력은 유한하고, 1초에 지구를 일곱 바퀴 반 도는 속력, 즉 초속 30만 km에 해당된다는 사실을 우리는 알고 있습니다. 빛의 속력을 최초로 측정하려고 했던 것은 1638년 갈릴레이의 실험이었습니다. 갈릴레이는 멀리 떨어져 있는 두 곳에서, 두 개의 램프 덮개를 열고 닫으면서 빛의 속력을 측정하려고 시도하였습니다. 그런데, 실패했습니다. 빛의 속력에 비해 두 지점의 거리가 너무 가까웠던 것입니다. 빛의 속력을 최초로 측정한 사람은 덴마크의 천문학자 뢰머였습니다. 1676년의 일입니다. 뢰머는 목성의 달 중의 하나인 이오가, 목성의 그림자에 가리어지는 그 시간이, 지구와 목성 간의 거리가 달라짐에 따라 변하는 현상을 이용해서 빛의 속력을 구하는데 처음으로 성공했습니다. 그런데, 뢰머가 측정한 빛의 속력은 초속 약 22만 km, 현재 우리가 알고 있는 빛의 속력과는 많은 차이가 납니다. 그런데, 1727년 영국의 천문학자 브래들리는 광행차 현상이라는 것을 발견하였습니다. 광행차 현상은, 머리 위에서 내려오는 빛이, 관측자가 움직이는 방향으로 더 기울어져서 관측되는 현상입니다. 이 현상은 마치 빗속을 걸어가는 사람에 대해서, 비가 앞쪽에서 더 기울어져 내 쪽으로 내리는 것처럼 관측되는 현상과 같은 원리입니다. 브래들리는 이러한 광행차의 원리를 적용해서, 특정한 속력을 가지고 공전하는 지구에서 별을 관측할 때에 망원경을 지구의 공전 방향으로 살짝 기울여야 된다는 사실을 적용해서 빛의 속력을 측정하였습니다. 그런데, 놀랍게도 현재 우리가 알고 있는 빛의 속력 값과 거의 유사한 초속 약 30만 km의 빛의 속력을 측정해낸 것입니다. 19세기 이후에는 천문관측이 아닌, 실험실에서 여러 실험 장치들을 활용하여 정확한 빛의 속력을 측정하고 있습니다. 물리학자인 마이켈슨과 몰리는 특별히 고안된 회전 거울 장치를 활용해서 정확한 빛의 속력을 측정했고, 또한 빛의 속력은 관측자의 운동 상태와 상관없이 즉, 관측자가 앞으로 가든 뒤로 가든 빛의 속력은 일정하다는 광속 불변의 원리를 발견해서, 현대 물리학의 기반을 확립하기도 했습니다. 요새는 광섬유를 활용한 장치를 이용해서 빛의 속력을 측정하기도 합니다.