지구로부터 약 1억 5천만 km 떨어져 있는 태양 빛은 이 엄청난 거리를 약 8분 만에 주파하여 아침 산책 중인 우리의 길을 밝히죠.

따라서 빛은 인간의 상상을 초월한 속력이라 하겠는데 오늘날 우리에게 이러한 광속은 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따라 자연계의 최고 속력으로 알려져 있습니다.

그러므로 사람이 아무리 빨리 뛰어도, 비행기가 아무리 빨리 날아도 빛처럼 빠를 수는 없는 것이죠.

그러니 이러한 광속은 인간의 눈으로 확인할 수 없는 신비 자체라고 하겠는데, 고대 수학자 헤론 또한 이 신비한 빛의 속력에 대해 생각하면서 그 빠르기가 한계가 없는 무한일까 보았으니 이것이 고대 사람들이 빛에 대해 가질 수 있었던 그 당시로서는 지극히 상식적인 이해였다고 할 수 있는 것이죠.

그리고 이러한 상식적 이해가 광속에 대한 인간의 생각을 오랜 세월 지배하고 있을 때, 이런 틀을 깨고 광속은 유한할 것이며 따라서 측정이 가능할 거라고 본 인물이 등장합니다.

그는 누구였을까요? 오늘 우리는 바로 이 인물의 광속 측정 실험에 대한 이야기로부터 시작을 해서 인류가 광속의 진실을 알아내기 위해 어떤 노력을 했는지 간략하게 검토하고자 합니다.

그리고 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 논하는 광속은 왜 불변, 즉 변하지 않는 절대적인 것으로 설명이 되는지, 그리고 이러한 빛에 대한 이해가 왜 우리의 시간과 공간에 대한 상식을 무너뜨리는지 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 강의를 해드리고자 하니까요.

여러분은 지금부터 재밌게 시청해 주시기 바랍니다.

현대 과학의 정밀한 검증을 거친 빛의 속력. 이것은 진공에서 1초에 약 30만 km 가는 빠르기이며 보다 정확한 값은 이와 같습니다.

하지만 소리는 기본적으로 공기라는 매질을 통해 1초에 약 340m 정도를 가죠.

우사인 볼트가 100m를 9초 58에 주파하면서도 기록했지만 이 놀라운 기록도 음속에 비하면 느리며 이 음속도 광속에 비하면 무척이나 느리다고 하겠습니다.

그런데 여기서 우리가 주목해야 할 것은 빛보다 느리다고 해도 소리가 인간의 감각 경험의 세계에서는 매우 빠른 것이라는 점이죠.

위층에서 아래층에 있는 사람의 이름을 불렀을 때 이 소리가 이렇다 할 시차 없이 곧바로 상대에게 전달됩니다.

이처럼 소리는 빠르기 때문에 인간에게는 이 음속 또한 놀라운 그 자체라고 할 수 있다는 거죠.

그런데 인간은 이러한 소리의 속력마저 느리다고 느낄 때가 있으니 바로 천둥 번개 현상을 만날 때가 그때입니다.

본시 천둥과 번개는 동시에 발생하는 것이지만 인간에게 도달할 때는 언제나 빛이 먼저 도착해서 번쩍하며 그다음으로 소리가 뒤늦게 도달해서 이렇게 울리는 겁니다.

이처럼 우리는 소리가 빛보다 느리다는 것을 실감하게 되는데 이런 경험을 통해 소리마저 그 속력의 한계가 있으니 이보다 상대적으로 빠른 빛 또한 그 속력의 한계가 있지 않을까라는 생각을 조심스럽게 해볼 수 있는 것이죠.

그리고 빛의 속력은 유한하다고 보는 이런 생각은 이것을 측정할 수도 있을 거라는 생각으로 이어지게 만들 수도 있을 텐데요.

물론 누구나 이러한 생각을 하기란 쉽지 않죠.

그러나 이런 독특한 사고를 하는 인물들이 역사에는 한 번씩 나타나기 마련이니 그 주인공이 바로 이탈리아의 과학자 갈릴레오였습니다.

그는 광속이 유한하며 따라서 측정 가능할 거라는 생각에 기초하여 다음과 같은 실험을 했죠.

서로 멀리 떨어진 두 곳의 산 봉우리에 사람이 올라 1에서 2로 빛을 쏘면 그 빛이 2에 도달할 텐데 이때 이 사람이 곧바로 1로 빛을 쏘는 겁니다.

이때 이 빛이 왕복한 거리를 그 이동에 소요된 시간으로 나누면 속도 값이 나오죠.

이렇게 해서 광속을 구할 수 있을 거라고 갈릴레오는 생각했으나 안타깝게도 이 실험은 실패했습니다.

왜일까요? 앞서 얘기한 것처럼 빛은 초속 약 30만 km를 달리죠.

따라서 이를 지구의 둘레인 약 4만 km로 나누면 7.5가 나옵니다. 그러니까 빛은 1초에 지구를 일곱 바퀴 반 돈다는 얘기죠.

인간의 감각으로는 느낄 수 없는 빠르기.

그러니 저런 두 봉우리의 거리 차이는 빛의 속도를 측정하기에는 너무 짧았을 뿐만 아니라 또 인간의 눈으로 확인할 수도 없었다는 것.

이처럼 광속을 알아내기 위한 인류 최초의 실험은 실패했지만 갈릴레오가 세상을 떠난 후 2년 뒤에 태어난 덴마크의 과학자 뢰머는 놀랍게도 지상이 아닌 천상, 즉 목성의 위성 중 이오의 움직임을 관측하다 광속이 유한함을 입증했고 그 나름의 속도값도 구했답니다.

그렇다면 그는 과연 어떤 방법을 사용했을까요?

덴마크 출신의 과학자 뢰머는 목성의 위성 중 이오를 관측했는데 이 과정에서 이상한 현상을 하나 발견합니다.

바로 공전 주기가 일정하지 않다는 것이었죠.

자, 여기서 공전 주기란 과연 무엇일까요?

우리 지구는 태양을 중심으로 돌고 있는데 이런 것을 공전하며 이렇게 공전할 때 걸리는 시간을 공전 주기라고 합니다.

그리고 지구가 태양을 공전하는 궤도를 공전 궤도라 하죠.

그런데 이런 얘기가 지금 우리가 알고자 하는 광속과 도대체 무슨 관계를 가지는 걸까요?

조금 전 저는 레머가 이오를 관측할 때마다 그 공전 주기가 달라지는 현상을 발견했다고 말씀드렸죠.

말해서 이오가 목성을 한 바퀴 돌 때 걸리는 시간이 어느 때는 빠르고 어느 때는 느리다는 것을 뜻합니다.

그리고 바로 여기에 광속의 비밀을 푸는 핵심 열쇠가 담겨 있었던 것이죠.

자, 지금 이 얘기가 조금 어렵게 느껴지는 분들도 있을 수 있으므로 (우리 채널은 인문학을 주로 다루다 보니까 과학에 약한 분들이 많이 계실 거라는 전제하에서 드린 말씀입니다.

) 어쨌든 이런 분들을 배려하기 위해 이제부터는 보다 차분하게 여러분이 쉽게 이해할 수 있도록 더 정성을 들여서 설명하겠습니다.

천체가 공전할 때 지나는 궤도를 공전 궤도라고 치죠.

그런데 이 궤도가 넓어졌다 좁아졌다 하면 어떨까요?

쉽게 말해서 이 궤도가 넓어졌을 때는 지금 보는 것처럼 그 둘레가 길어졌으니 시간이 더 걸린다는 얘기고, 좁아졌을 때는 당연히 그 이동 시간이 짧아지는 것이겠죠.

따라서 이오의 공전 주기가 일정하지 않고 바뀐다는 거는 그 궤도가 바뀌고 있다 이렇게도 이제 볼 수가 있겠으나 본시 공전 궤도의 이율은 마치 고무줄이 늘어나듯이 이렇게 늘어났다가 줄어들었다 순식간에 그렇게 벌어질 수 있는 일이 아닙니다.

그러므로 공전 궤도의 이러한 변화는 이오의 공전 주기 변화에 대한 이유가 될 수 없다 이렇게 말씀드릴 수 있겠는데 이렇게 되면 이제 남은 변수는 하나입니다.

그게 뭘까요? 바로 이오를 관측하고 있는 모의 위치, 즉 지구의 위치인 거죠.

자 잠시 여러분의 이해를 돕기 위해 쉬운 예시를 들겠습니다.

만약 시속 30km로 달리는 자동차를 관측자가 정지한 상태로 관측한다면, 이 사람에게 저 차의 속력은 시속 30km 되겠죠.

그러나 저 자동차가 시속 30km로 달릴 때 관측자가 다른 차를 타고 바로 그 옆에서 똑같은 속도로 달려가고 있다면, 이 두 자동차 사이에 발생하는 시간차는 없는 것이며 속도 차이도 없게 되겠죠.

자, 이쯤 되면 눈치가 좀 빠른 분들이라면 제가 이제부터 무슨 얘기를 하려고 하는지 감을 조금은 잡았을 겁니다.

만약 레머에 위치한 이 지구가 가만히 있지를 않고 이호 움직이고 있다면 어떻게 되는 것일까 하는 얘기입니다.

자, 지금 보는 것처럼 실제로 지구는 태양을 중심으로 공전을 하고 있죠.

그리고 이보다 더 먼 거리에서 목성 공전을 하며 이 목성을 중심으로 이호도 공전을 하고 있는 것입니다.

따라서 이런 공전 상태에 있는 지구가 여기에 위치했을 때 이호가 여기에 위치한다면 이 둘의 거리는 가장 길어진 상태이며 반대로 지구가 여기에 위치하고 이호가 여기에 위치했을 때 이 둘의 길이는 가장 짧아지는 것이라고 봐야겠죠.

즉 이오의 공전 주기가 일정하지 않았던 것은 저 위성을 관찰하고 있는 우리 지구도 움직이고 있기 때문이라는 것.

이러한 사실을 간파한 레머는 이를 통해 이오의 공전 주기가 가장 빠를 때 하고 가장 느릴 때의 시간차를 구했는데 그것이 약 22분 정도라는 것을 알아냈다.

정말 대단하지 않습니까? 하지만 놀라기는 아직 이릅니다.

왜냐고요? 만약 빛 속의 한계가 없고 무한이라 이오로부터 지구까지 온 빛의 그 무한한 속도로 인해 공전 주기가 일정하지 않을 이유는 없는 것이죠.

하지만 이오로부터 지구까지 오는 빛이 그 거리가 멀어졌을 때 이동 시간이 더 걸렸고 짧아졌을 때 덜 걸렸으므로 이러한 빛의 속력은 무한이 아니라 무엇이다?

그렇죠. 유한한 것임을 알 수가 있는 것이다 하는 얘기입니다.

따라서 광속은 무한이 아닌 유한이라는 결론을 과학적으로 낼 수가 있으니 인간이 지구상에 등장한 이래 광속을 무한이라고 여겼던 그간의 전통적 인식은 이렇게 깨지는 것이기에 여러분이 놀라야 하는 시점은 아까가 아니라 바로 지금이라고 저는 말씀드리고 싶었던 것이죠.

그리고 광속이 유한하다는 것을 확인한 뢰머는 이제 그 값이 어떻게 되는지, 즉 빠르기가 어느 정도인지를 확인하는 작업을 했습니다.

이오가 목성을 한번 공전할 때 걸리는 시간은 약 42.5시간입니다.

이것은 지구에서 이틀이 채 되지 않는 시간이며, 이 시간 동안 지구도 조금은 공전을 하면서 이동 거리를 만들게 되죠.

이런 식으로 발생한 이오와 지구의 시간과 거리의 차이를 이용해서 계산하면 되는데, 당시는 지금처럼 정밀한 측정 도구가 없었고 또 측정 결과값에 대한 오차도 컸기 때문에 이런 여러 가지 제약들을 이제 안고서 1676년 뢰머가 계산을 하게 되었으니, 그 결과 그가 구한 광속에 대한 값은 진공 중에서 초속 2.4만 km였으니, 이것은 오늘날 밝혀진 실제의 값보다 약 30% 정도 작은 값이었다 말씀드릴 수 있겠습니다.

그리고 바로 이것이 인간이 얻은 최초의 광속에 대한 값이었다고 할 수 있겠죠.

뢰머의 실험이 있은 후 세월이 흘러서 19세기가 되었을 때 프랑스의 물리학자 피조는 천체 관측이 아닌 톱니바퀴 실험을 통해 광속을 구하고자 했습니다.

그는 빛을 관측하는 장치와 빛을 반사시키는 장치를 약 8.6km 거리 차가 나게 놔둔 후에 빛이 도착하는 지점의 경로에 톱니바퀴를 두고 회전시켜서 그 빛이 왕복하는 데 걸리는 시간의 값을 구하고자 했죠.

자, 지금 이렇게만 얘기를 들어서는 도대체 이게 광속을 구하는 데 어떻게 된다는 건지 감이 잘 안 올 수 있습니다.

처음 듣는 분들일수록 더 그럴 수 있어요.

따라서 너무 어렵게 생각하지 마시고 이제부터 제가 실험 내용을 설명해 드릴 텐데 이걸 듣다 보면 생각보다 쉽게 이해가 될 거거든요.

그러니까 조금만 참아주세요. 우선 그는 톱니가 720개 달린 톱니바퀴를 빛이 지나는 경로 중 도착 지점에 이렇게 두고 빠르게 회전시켰는데 이때 톱니바퀴의 각 톱니들이 돌면서 빛을 통과시키기도 하고 막기도 하겠죠.

그리고 이러한 실험을 수없이 반복하면서 피조는 1초에 톱니바퀴가 12.6회전했을 때 하나의 톱니에 반사되어 온 빛이 정확히 차단된다는 사실을 확인합니다.

이걸 어떻게 확인할 수 있었냐면 톱니에 빛이 한번 이제 완전히 가려질 때는 그것을 관측하는 장면이 완벽하게 어두워지는 거잖아요.

이런 걸 통해서 이러한 사실을 확인할 수 있었던 것이죠. 자, 그렇다면 이제는 톱니가 한 개 돌아가는데 걸리는 시간을 알아야 하겠죠.

이것은 1초 나누기 12.6 나누기 720 나누기 2를 통해서 알 수가 있는데 그 결과의 값은 약 0.005초입니다.

그리고 빛의 왕복 거리는 8.66km * 2니까 총 17.2km가 되죠.

그러면 이 거리를 저 시간과 나누면 되는 거예요. 그렇다면 이렇게 해서 얻은 결과의 값은 얼마였을까요?

놀랍게도 이것은 오늘날 우리가 알고 있는 광속과 아주 비슷한 초속 약 31.3만 km였답니다.

이처럼 광속을 알기 위한 인간의 실험은 계속되었고, 따라서 그 정밀함도 보다 높아져 가기 시작했는데, 이런 광속을 측정 실험이 아닌 이론적 계산을 통해 구현하는 일이 벌어지게 됩니다.

그리고 이 일을 해낸 인물이 바로 전자기학의 아버지라 불리는 맥스웰이죠.

이제부터는 그에 대한 이야기를 간략하게 한 후에, 이 전자기학의 영향을 받았던 아인슈타인이 어떻게 해서 빛에 대한 신비를 밝히는 특수 상대성 이론을 펼치게 되었는지 이 이야기를 하도록 하겠습니다.

그는 빛이 전자기파의 일종이라는 사실을 밝혀낸 인물이죠. 본시 전자기파란 전기장과 자기장이 주기적으로 변하면서 전달되는 파동을 말하는데 쉽게 말해서 전류가 방향이 변하면서 흐를 때 그 주변으로 자기장이 생기며 이 자기장에 다시 전기장이 생기고 다시 그 전기장에 자기장이 생기는 방식으로 그 파동이 수직으로 발생해서 뻗어 나간다는 것.

이것이 전자기파입니다. 어쨌든 이러한 맥스웰은 바로 이 전자기파의 속력을 이론적으로 계산하여 그 값을 구하게 되었으니 놀랍게도 그 값이 광속과 일치한다는 사실을 확인하게 되었던 것입니다.

이리하여 빛은 전자기파 즉 전기와 자기의 파동이라는 사실을 알게 되었는데 바로 이것이 1895년 당시 스위스에서 살고 있었던 16살의 한 학생에게 큰 영향을 미치죠.

이 학생은 빛과 같은 속도로 그 빛을 따라가면 어떻게 될까 하는 의문을 품고 있었는데 가령 물체 A와 물체 B가 같은 지점에서 동시에 출발하여 시속 50km로 가고 있다면 이 둘의 상대 속도는 제로 즉 A 입장에서는 멈춰 있는 것이며 그 반대도 같다고 볼 수 있지만 빛의 속력 즉 광속은 이러한 상식이 통하지 않는다는 점에 주목하고 있었습니다.

쉽게 말해서 빛과 같은 속력으로 빛을 따라가면서 보게 되면 이 둘의 상대 속도는 제로가 되어서 관측자에게 빛은 멈춘 것처럼 보여야 하는 게 상식이지만 맥스웰의 전자기학에서 밝혀진 진공에서의 광속은 상수로 유도되기 때문에 여전히 초속 30만 km로 보여야 한다는 거죠.

그러니까 광속은 상대 속도와 관계없이 언제나 초속 30만 km라는 것인데, 즉 광속과 같은 속도로 달리면서 이 빛을 보고 있어도 여전히 빛의 속도는 30만 km이지 제로가 되지 않는다는 것.

자, 이건 뭔가 좀 이상한 일인 것이죠.

가령 초속 10만 km로 이동하는 상자가 있는데 이 상자에 타고 있는 사람이 손전등의 빛을 켰다고 해보죠.

그러면 광속인 30만 km가 저 상자의 이동 속도에 더해져서 이를 외부에서 정지한 상태로 관측하는 사람에게는 초속 40만 km로 보여야 하는 게 정상인데 빛은 이렇지 않고 그대로 초속 30만 km를 유지한다는 것.

이것은 광속이 어떤 조건이나 사항과 무관하게 언제나 초속 30만 km를 유지하며, 이것은 상대적인 것이 아닌 절대적인 것임을 의미합니다.

그리고 이처럼 광속이 변하지 않는 것을 일러 광속 불변의 원리라고 하는 것이죠.

자, 어쨌든 이렇게 되면 광속은 우리의 상식하고는 잘 안 맞게 되는데, 바로 이러한 의문을 해결하기 위해 고심했던 그 소년이 아인슈타인입니다.

그는 이를 연구한 끝에 1905년 특수 상대성 이론을 발표하게 되었죠.

자, 이번 강의는 광속을 알아내기 위한 인류의 여정을 간략히 소개하고 그에 따라 밝혀진 광속 불변의 원리에 대한 것 중 입문자도 쉽게 이해할 수 있는 내용만 요약하여 들려 드리는 것이므로 아쉽지만 특수 상대성 이론 전체를 다 상세히 설명하지는 않을 것입니다.

빛의 속도는 왜 불변이며 절대적인가? - 광속 불변의 원리

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빛의 속도는 왜 불변이며 절대적인가? - 광속 불변의 원리

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