빛의 속도는 얼마입니까?

빛의 속도는 우리 우주의 모든 것의 속도 제한입니다. 아니면?

빛의 속도는 우리 우주의 모든 것의 속도 제한입니다. 아니면? (이미지 제공: 게티/치노 유이치로)



이동:

진공을 통과하는 빛은 정확히 초당 299,792,458미터(983,571,056피트)로 이동합니다. 이는 초당 약 186,282마일입니다. 방정식으로 알려진 보편적 상수이며 줄여서 'c' 또는 빛의 속도입니다.



현대 물리학의 많은 부분을 차지하는 물리학자 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 우주의 어떤 것도 빛보다 빠르게 이동할 수 없습니다. 이 이론은 물질이 빛의 속도에 접근함에 따라 물질의 질량이 무한해진다고 말합니다. 즉, 빛의 속도는 우주 전체의 속도 제한으로 작용합니다. 미국에 따르면 빛의 속도는 매우 불변합니다. 국립표준기술원 , 미터(그리고 확장하여 마일, 피트 및 인치)와 같은 국제 표준 측정을 정의하는 데 사용됩니다. 몇 가지 교묘한 방정식을 통해 킬로그램과 켈빈 .

그러나 보편적 상수로서의 빛의 명성에도 불구하고 과학자와 공상과학 소설가는 모두 빛보다 빠른 여행을 고민하며 시간을 보냅니다. 지금까지 아무도 그런 속도로 여행하는 방법을 알아낼 수 없었습니다. 하지만 그렇다고 해서 새로운 이야기, 새로운 발명품 및 물리학의 새로운 영역을 향한 우리 집단의 돌진이 느려지지는 않았습니다.



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광년이란 무엇입니까?

허블 우주 망원경이 이 나선 은하 NGC 3972의 사진을 찍었습니다. 은하는 지구에서 6500만 광년 떨어져 있습니다.

허블 우주 망원경이 이 나선 은하 NGC 3972의 이미지를 촬영했습니다. 은하는 지구에서 6,500만 광년 떨어져 있으며(382퀸틸리언 마일입니다!) 큰곰자리에서 찾을 수 있습니다.(이미지 제공: NASA/ESA,/A. Riess(STScI/JHU))



에게 광년 빛이 1년 동안 갈 수 있는 거리, 약 6조 마일(10조 킬로미터)입니다. 천문학자들과 물리학자들이 우리 우주에서 엄청난 거리를 측정하는 한 가지 방법입니다.

빛은 달에서 우리 눈까지 약 1초 만에 이동하는데, 이는 달이 약 1광초 떨어져 있음을 의미합니다. 햇빛이 우리 눈에 도달하는 데 약 8분이 걸리므로 태양은 약 8광분 거리에 있습니다. 우리 별에서 가장 가까운 알파 센타우리의 빛은 여기에 오기까지 약 4.3년이 걸리므로 센타우리 알파는 4.3광년 떨어져 있습니다.

'광년의 크기에 대한 아이디어를 얻으려면 지구의 둘레(24,900마일)를 취하여 직선으로 배치하고 선의 길이에 7.5를 곱합니다(해당 거리는 1광초 ), 그런 다음 3,160만 개의 유사한 라인을 끝에서 끝까지 배치'라고 말했습니다. NASA의 글렌 연구 센터 . '결과 거리는 거의 6조(6,000,000,000,000)마일입니다!'



우리 태양계 너머에 있는 별과 다른 물체는 몇 광년에서 수십억 광년 떨어져 있습니다. 그리고 천문학자들이 먼 우주에서 '보는' 모든 것은 말 그대로 역사입니다. 천문학자들이 멀리 있는 물체를 연구할 때 물체는 빛이 떠났을 때 존재했던 그대로 나타납니다.

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이 원리를 통해 천문학자들은 약 138억 년 전에 일어난 빅뱅 이후의 우주를 관찰할 수 있습니다. 천문학자들에게는 100억 광년 떨어진 천체가 오늘날의 모습이 아니라 100억 년 전(우주가 시작된 지 비교적 이른 시점)의 모습으로 보인다.

우리는 어떻게 빛의 속도를 배웠습니까?

갈릴레오 갈릴레이는 목성의 처음 네 개의 위성을 발견한 것으로 알려져 있습니다.

아리스토텔레스, 엠페도클레스, 갈릴레오(여기서 그림), 올레 뢰머 및 역사상의 수많은 철학자와 물리학자들은 빛의 속도에 대해 생각해 왔습니다.(이미지 제공: NASA)

5세기 초에 엠페도클레스와 아리스토텔레스와 같은 그리스 철학자들은 광속의 본질에 대해 동의하지 않았습니다. 엠페도클레스는 빛이 무엇으로 만들어졌든 이동해야 하므로 이동 속도가 있어야 한다고 생각했습니다. 아리스토텔레스는 자신의 논문에서 엠페도클레스의 견해를 반박하는 글을 썼습니다. 감각과 감각에 관하여 , 소리와 냄새와 달리 빛은 순간적이라고 주장합니다. 물론 아리스토텔레스가 틀렸지만 누군가가 그것을 증명하려면 수백 년이 걸릴 것입니다.

1600년대 중반, PBS NEW , 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이 1마일도 안 되는 언덕 위에 두 사람이 서 있었다. 각 사람은 차폐 랜턴을 들고 있었습니다. 하나는 그의 등불을 발견했습니다. 다른 사람이 플래시를 보았을 때 자신도 플래시를 발견했습니다. 그러나 갈릴레오의 실험 거리는 참가자들이 빛의 속도를 기록하기에 충분하지 않았습니다. 그는 빛이 소리보다 10배 이상 빠르게 움직인다는 결론만 내릴 수 있었습니다.

1670년대에 덴마크의 천문학자 Ole Rømer는 바다에서 항해하는 선원들을 위한 신뢰할 수 있는 시간표를 만들려고 노력했으며, 나사 , 우연히 빛의 속도에 대한 새로운 최적 추정치를 생각해 냈습니다. 천문 시계를 만들기 위해 그는 목성의 위성 이오의 정확한 일식 시간을 기록했습니다. 지구 . 시간이 지남에 따라 Rømer는 Io의 일식이 종종 그의 계산과 다르다는 것을 관찰했습니다. 그는 일식이 가장 늦게 나타나는 것으로 나타났습니다. 목성 그리고 지구는 서로 멀어지고 있었고, 행성이 접근하고 있을 때 미리 나타났고, 행성이 가장 가깝거나 가장 먼 지점에 있을 때 일정에 따라 발생했습니다. 도플러 효과의 대략적인 버전 또는 적색편이 . 직감의 도약으로 그는 빛이 이오에서 지구로 이동하는 데 측정할 수 있는 시간이 걸린다는 것을 알아냈습니다.

Rømer는 그의 관찰을 사용하여 빛의 속도를 추정했습니다. 태양계의 크기와 지구의 궤도가 아직 정확하게 알려지지 않았기 때문에 1998년 논문에서 주장했다. 미국 물리학 저널 , 그는 조금 떨어져 있었다. 그러나 마침내 과학자들은 함께 작업할 수 있는 숫자를 갖게 되었습니다. Rømer의 계산에 따르면 빛의 속도는 초당 약 124,000마일(200,000km/s)입니다.

1728년 영국 물리학자 제임스 브래들리(James Bradley)는 지구가 태양 주위를 도는 데 따른 별의 겉보기 위치 변화에 대한 새로운 계산을 기반으로 했습니다. 그는 빛의 속도를 초당 185,000마일(301,000km/s)로 추정했는데, 이는 실제 값의 약 1% 이내로 정확합니다. 미국 물리 학회 .

1800년대 중반에 두 번의 새로운 시도가 이 문제를 다시 지구로 가져왔습니다. 프랑스 물리학자 히폴리트 피조(Hippolyte Fizeau)는 빠르게 회전하는 톱니바퀴에 광선을 비추고 거울을 8km(5마일) 떨어진 곳에 설치하여 광원으로 반사시킵니다. 휠의 속도를 변경하여 Fizeau는 빛이 구멍에서 나와 인접한 거울로 이동하고 틈을 통해 다시 이동하는 데 걸리는 시간을 계산할 수 있었습니다. 또 다른 프랑스 물리학자인 Leon Foucault는 본질적으로 동일한 실험을 수행하기 위해 바퀴 대신 회전 거울을 사용했습니다. 두 가지 독립적인 방법은 각각 빛의 속도에서 초당 약 1,000마일(1,609km/s) 이내였습니다.

1930년 8월 15일 캘리포니아 산타아나에서 Albert A. Michelson 박사는 빛의 속도를 마지막으로 가장 정확하게 측정하는 데 사용할 1마일 길이의 진공관 옆에 섰습니다.

1930년 8월 15일 캘리포니아 산타아나에서 Albert A. Michelson 박사는 빛의 속도를 마지막으로 가장 정확하게 측정하는 데 사용할 1마일 길이의 진공관 옆에 섰습니다.(이미지 크레디트: Getty/Bettman)

빛의 속도 미스터리를 다룬 또 다른 과학자는 폴란드 태생의 앨버트 A. 마이컬슨(Albert A. Michelson)으로 캘리포니아 골드러시 기간 동안 캘리포니아에서 자랐으며 미 해군사관학교에 다니는 동안 물리학에 대한 관심을 연마했다고 합니다. 버지니아 대학교 . 1879년 푸코의 빛의 속도 측정법을 모방하려 했으나 마이컬슨은 거울 사이의 거리를 늘리고 초고품의 거울과 렌즈를 사용했다. 186,355마일/초(299,910km/s)의 Michelson의 결과는 Michelson이 직접 다시 측정할 때까지 40년 동안 가장 정확한 빛의 속도 측정으로 받아들여졌습니다. 두 번째 실험에서 Michelson은 더 정확한 추정치를 얻기 위해 주의 깊게 측정된 거리로 두 산 정상 사이에 조명을 비췄습니다. 그리고 1931년 그가 죽기 직전 세 번째 시도에서 스미스소니언의 기록에 따르면 공기와 우주 잡지에서 그는 주름진 강관으로 된 1마일 길이의 감압 튜브를 만들었습니다. 파이프는 더 정밀한 측정을 위해 빛의 속도에 대한 공기의 영향을 제거하는 거의 진공을 시뮬레이션했으며, 오늘날 허용되는 빛의 속도 값보다 약간 낮습니다.

Michelson은 또한 빛 자체의 본성을 연구했다고 천체 물리학자 Ethan Siegal이 Forbes 과학 블로그에 썼습니다. 뱅으로 시작 . 마이컬슨의 실험 당시 물리학의 최고 지식인들은 '빛은 파동인가 입자인가'로 나뉘었다.

마이컬슨은 동료 에드워드 몰리와 함께 빛이 소리처럼 파동으로 움직인다는 가정 하에 연구했습니다. 그리고 소리가 움직이기 위해서는 입자가 필요하듯이, Michelson과 Morley, 그리고 당시의 다른 물리학자들은 빛이 통과할 수 있는 일종의 매개체가 있어야 한다고 추론했습니다. 이 보이지 않고 감지할 수 없는 물질을 '빛나는 에테르'('에테르'라고도 함)라고 불렀습니다.

Michelson과 Morley가 정교한 간섭계(오늘날 LIGO 시설에서 사용되는 매우 기본적인 기기 버전)를 만들었지만 Michelson은 어떤 종류의 발광 에테르의 증거도 찾을 수 없었습니다. 그는 빛이 진공을 통과할 수 있고 이동할 수 있다고 결정했습니다.

시갈은 '실험과 마이컬슨의 업적은 매우 혁명적이어서 역사상 유일하게 어떤 것도 발견하지 못한 공로로 노벨상을 수상한 사람이 되었습니다. '실험 자체가 완전히 실패했을 수도 있지만, 그 실험에서 우리가 배운 것은 성공보다 인류와 우주에 대한 이해에 더 큰 도움이 되었습니다!'

특수상대성이론과 빛의 속도

칠판에 알버트 아인슈타인입니다.

칠판에 알버트 아인슈타인입니다.(이미지 제공: NASA)

Einstein의 특수 상대성 이론은 E = mc^2라는 유명한 방정식으로 에너지, 물질 및 빛의 속도를 통합했습니다. 방정식은 질량과 에너지 사이의 관계를 설명합니다. 소량의 질량(m)은 본질적으로 엄청난 양의 에너지(E)를 포함하거나 구성됩니다. (그것이 핵폭탄을 그토록 강력하게 만드는 이유입니다: 그들은 질량을 에너지의 폭발로 변환하고 있습니다.) 에너지는 질량 곱하기 빛의 속도의 제곱과 같기 때문에, 빛의 속도는 변환 요인으로 작용하여 정확히 얼마나 많은 에너지가 있어야 하는지를 설명합니다 물질 내에서. 그리고 빛의 속도는 엄청나게 빠르기 때문에 소량의 질량이라도 엄청난 양의 에너지와 동일해야 합니다.

우주를 정확하게 설명하기 위해 아인슈타인의 우아한 방정식은 빛의 속도가 불변의 상수여야 한다는 것을 요구합니다. 아인슈타인은 빛이 어떤 종류의 발광 에테르가 아니라 진공을 통해 이동하며 관찰자의 속도에 관계없이 동일한 속도로 이동한다고 주장했습니다.

다음과 같이 생각하십시오. 기차에 앉아 있는 관찰자는 평행선로를 따라 움직이는 기차를 보고 자신에 대한 상대적인 움직임을 0으로 생각할 수 있습니다. 그러나 거의 빛의 속도로 움직이는 관찰자들은 여전히 ​​빛이 시속 6억 7천만 마일 이상으로 자신에게서 멀어지는 것으로 인식할 것입니다. (정말로 빠르게 움직이는 것이 유일하게 확인된 시간 여행 방법 중 하나이기 때문입니다. 천천히 움직이는 관찰자보다 더 느리게 노화되고 더 적은 순간을 인식하는 관찰자의 경우 시간이 실제로 느려집니다.)

다시 말해, 아인슈타인은 빛의 속도는 측정하는 시간이나 장소, 또는 자신이 얼마나 빨리 움직이는지에 따라 달라지지 않는다고 제안했습니다.

이론에 따르면 질량이 있는 물체는 결코 빛의 속도에 도달할 수 없습니다. 물체가 빛의 속도에 도달했다면 그 질량은 무한대가 될 것입니다. 결과적으로 물체를 움직이는 데 필요한 에너지도 무한대가 됩니다.

즉, 물리학에 대한 이해를 특수 상대성 이론에 기초하면 빛의 속도는 우주의 불변의 속도 제한입니다. 즉, 무엇이든 이동할 수 있는 가장 빠른 속도입니다.

빛의 속도보다 빠른 것은 무엇입니까?

빛의 속도는 종종 우주의 제한 속도라고 하지만 실제로 우주는 훨씬 더 빠르게 팽창합니다. 천체 물리학자 폴 서터(Paul Sutter)는 천체 물리학자 폴 서터(Paul Sutter)에 대해 이전 기사에서 관찰자로부터 1 메가파섹 거리에 대해 초당 42마일(68km)이 조금 넘는 속도로 팽창한다고 밝혔습니다. 스페이스닷컴 . (메가파섹은 326만 광년으로 정말 먼 거리입니다.)

다시 말해, 1메가파섹 떨어진 은하는 초속 42마일(68km/s)의 속도로 은하수에서 멀어지는 것처럼 보이지만, 2메가파섹 떨어진 은하는 거의 초당 86마일(136km/s)로 멀어집니다. s) 등이 있습니다.

'어느 시점에서, 음란한 거리에서 속도는 스케일을 넘어 빛의 속도를 초과합니다. 모두 자연스럽고 규칙적인 공간 확장에서 비롯됩니다.'라고 Sutter는 설명했습니다. '불법이라고 해야 할 것 같죠?'

Sutter에 따르면 특수 상대성 이론은 우주 내에서 절대 속도 제한을 제공하지만 일반 상대성 이론에 관한 아인슈타인의 1915년 이론은 조사 중인 물리학이 더 이상 '국부적'이지 않을 때 다른 행동을 허용합니다.

'우주 저편에 있는 은하? 그것이 일반 상대성 이론의 영역이며 일반 상대성 이론은 말합니다. 그 은하가 당신의 얼굴 옆이 아닌 멀리 떨어져 있는 한 원하는 속도를 낼 수 있습니다.'라고 Sutter는 썼습니다. '특수 상대성 이론은 초광속이든 아니든 먼 은하의 속도에 대해서는 관심이 없습니다. 그리고 당신도 그렇게해서는 안됩니다.'

빛이 느려지는 경우가 있습니까?

빛은 공기보다 다이아몬드를 통해 더 천천히 움직입니다. 그러나 빛은 진공 상태에서 이동하는 것보다 약간 느리게 공기를 통해 이동합니다.

빛은 공기를 통해 이동할 때보다 다이아몬드를 통과할 때 더 느리게 이동하고 진공에서 이동할 수 있는 것보다 약간 느리게 공기를 통해 이동합니다.(이미지 크레디트: Shutterstock)

진공 상태의 빛은 일반적으로 절대 속도로 이동하도록 유지되지만 모든 물질을 통해 이동하는 빛은 속도가 느려질 수 있습니다. 물질이 빛을 느리게 하는 정도를 굴절률이라고 합니다. 빛은 입자와 접촉할 때 구부러져 속도가 감소합니다. 칸아카데미 .

관련된: 다음은 슬로우 모션에서 빛의 속도가 어떻게 보이는지 보여줍니다.

예를 들어, 지구의 대기를 통과하는 빛은 거의 진공 상태에서 빛만큼 빠르게 움직이며 빛의 속도의 1/10,000에 불과합니다. 그러나 다이아몬드를 통과하는 빛은 일반적인 속도의 절반 이하로 느려집니다. PBS NEW 보고했다. 그럼에도 불구하고, 그것은 2억 7,700만 mph(거의 124,000km/s) 이상의 속도로 보석을 통과합니다. 차이를 만들기에 충분하지만 여전히 믿을 수 없을 정도로 빠릅니다.

저널에 발표된 2001년 연구에 따르면 빛은 매우 차가운 원자 구름 내부에 갇힐 수 있으며 심지어 멈출 수도 있습니다. 자연 . 보다 최근에 저널에 발표된 2018년 연구 물리적 검토 편지 '예외적인 지점', 즉 두 개의 분리된 빛 방출이 교차하고 하나로 합쳐지는 장소에서 빛을 멈추게 하는 새로운 방법을 제안했습니다.

연구원들은 또한 빛이 진공을 통과할 때에도 빛의 속도를 늦추려고 노력했습니다. 스코틀랜드 과학자 팀은 저널에 발표된 2015년 연구에 설명된 대로 단일 광자 또는 빛 입자가 진공을 통과할 때에도 성공적으로 속도를 늦췄습니다. 과학 . 그들의 측정에서 느려진 광자와 '일반' 광자의 차이는 불과 몇 백만 분의 1 미터에 불과했지만 진공 상태의 빛이 공식 빛의 속도보다 느릴 수 있음을 보여주었습니다.

우리가 여전히 빛보다 빠른 여행에 대한 아이디어를 좋아하는 이유

공상 과학 소설은 '워프 속도'라는 아이디어를 좋아합니다. 빛보다 빠른 여행은 수많은 SF 프랜차이즈를 가능하게 하여 광대한 공간을 압축하고 캐릭터가 별 시스템 사이를 쉽게 왔다 갔다 할 수 있도록 합니다.

그러나 빛보다 빠른 여행이 불가능하다는 보장은 없지만 작동하려면 꽤 이국적인 물리학을 활용해야 합니다. 운 좋게도 공상과학 애호가와 이론 물리학자 모두가 탐색할 수 있는 방법이 많이 있습니다.

우리가 해야 할 일은 우리 자신을 움직이지 않는 방법을 알아내는 것뿐입니다. 특수 상대성 이론은 우리가 충분히 빠른 속도로 도달하기 전에 오래 전에 파괴될 것이기 때문입니다. 대신 우리 주변의 공간을 이동합니다. 쉽죠?

제안된 아이디어 중 하나는 시공간 거품을 자체적으로 접을 수 있는 우주선과 관련된 것입니다. 이론과 허구 모두에서 훌륭하게 들립니다.

관련된: 우주선은 빛보다 빨리 날 수 있다

외계 인텔리전스 검색(SETI) 연구소의 천문학자 세스 쇼스타크는 '커크 대위가 우리의 가장 빠른 로켓의 속도로 움직이지 않으면 다음 항성계에 도달하는 데 수십만 년이 걸릴 것'이라고 말했다. 캘리포니아 마운틴뷰에서 2010년 인터뷰에서 guesswhozoo.com의 자매 사이트 LiveScience . '그래서 공상 과학 소설은 이야기가 조금 더 빨리 진행될 수 있도록 빛의 장벽을 뛰어넘는 방법을 오랫동안 가정해 왔습니다.'

빛보다 빠른 여행이 없다면 '스타 트렉'(또는 '스타 워')은 불가능합니다. 인류가 우리 우주의 가장 먼 곳, 그리고 끊임없이 팽창하는 구석에 도달하게 된다면, 아무도 가본 적이 없는 곳으로 대담하게 가는 것은 미래 물리학자들의 몫이 될 것입니다.

추가 리소스

guesswhozoo.com 기고자 Nola Taylor Redd의 이 기사에 대한 일부 연구.