빛의 속력은 어떻게 측정할까?

높은 산에 올라서 ‘야호’라고 소리를 질러보자. 잠시 후 되돌아오는 소리를 들을 수 있다. 메아리는 이 쪽 산에서 저 쪽 산까지 갔다가 오는데 걸리는 시간만큼 늦게 우리 귀에 들린다. 소리는 1초에 약 340m를 이동할 만큼 빠르다. 하지만 소리가 상대에게 전해지는 데 시간이 전혀 걸리지 않고 바로 전달될 거라는 우리의 생각은 사실이 아님을 메아리를 통해 알 수 있다.

그러면 빛의 속력은 어떨까? 빛은 아무리 먼 곳을 비추어도 순식간에 이동하기 때문에 그 속력을 측정하기가 어렵다. 그래서 옛날에는 빛의 속력은 무한대라고 생각했다. 하지만 갈릴레이 이후 빛의 속력을 알아내려는 많은 과학자들의 시도 결과, 빛이 유한한 속력을 가진다는 것을 밝혀냈다.

빛은 유한한 속력을 가졌다고 생각한 갈릴레이

빛의 속력을 최초로 측정하려고 했던 사람은 갈릴레오 갈릴레이(1564~1642)였다. 그는 빛의 속력을 측정하기 위해 실험을 계획했다. 밤에 갈릴레이와 그의 조수는 각각 램프와 램프 덮개를 하나씩 들고 약 1.6km 정도 떨어진 산봉우리에 올라갔다. 두 사람은 램프의 빛을 서로 주고받으면서 빛의 속력을 측정하기로 했다. 갈릴레이가 램프를 덮고 있던 덮개를 열고 그의 조수가 그 빛을 보았을 때 조수는 즉시 그의 램프 덮개를 연다. 갈릴레이가 덮개를 열고 난 후 조수에게서 오는 빛을 보는 사이의 시간이 빛이 두 사람 사이를 왕복하는데 걸리는 시간이 된다. 실험 결과 두 사람 사이의 거리가 너무 가까워 빛의 속력을 제대로 측정할 수 없었지만, 갈릴레이의 시도는 빛의 속력을 측정하려는 노력의 시발점이 되었다는 점에서 큰 의의가 있다.

최초로 빛의 속력을 측정한 뢰머

덴마크의 천문학자 올레 뢰머(1644~1710)는 과학적인 방법으로 빛의 속력을 측정한 최초의 사람이다. 그는 목성의 위성 이오가 목성의 그늘에 숨는 시간이 변하는 현상을 이용해 빛의 속력을 구하는데 성공했다. 지구와 목성은 태양을 공전한다. 뢰머는 지구와 목성의 가까운 정도가 이오가 목성에 가려지기 시작하는 시간(이오의 월식이 시작되는 시간)에 영향을 미치는 것을 알게 됐다. 그의 관측 결과에 의하면 이오의 월식은 지구와 목성의 거리가 멀 때보다 가까울 때 약 22분 빨랐다. 이 22분은 지구의 공전궤도 지름길이 만큼 빛이 이동하는데 걸리는 시간을 의미한다. 그러므로 빛의 속력은 약 220,000,000m/s가 된다.

물론 뢰머의 계산은 현대 과학이 밝혀 낸 정확한 빛의 속력 값(299,792,458m/s)과는 상당한 차이가 있다. 하지만 당시 천문 관측의 정확도가 지금보다 낮았다는 것을 고려하면, 그의 측정 결과는 실로 대단한 것이다.

톱니바퀴를 이용해 빛의 속력을 구한 피조

천문 현상을 이용하지 않고, 실험 장치를 이용해 빛의 속력을 측정 한 최초의 사람은 프랑스 물리학자 아르망 이폴리트 피조(1819~1896)다. 피조의 광속 측정 장치는 광원에서 나오는 빛이 회전하는 톱니바퀴의 톱니 틈을 통과하게 한 후 멀리 있는 거울에 부딪혀 되돌아오게 해 빛이 멀리 떨어진 두 점 사이를 왕복하는 데 걸린 시간을 재는 장치다.

국립과천과학관 기초과학관 물리 존에는 피조의 톱니바퀴 실험을 재구성한 광속측정 장치가 있다. 피조가 실험했던 방식 그대로는 아니지만, 톱니바퀴 틈으로 빛을 통과시킨 후 다시 되돌아오는 빛을 측정하여 빛의 속력을 계산하는 것은 동일하다. 다만 국립과천과학관에 설치된 광속측정 전시물은 빛의 이동 거리를 늘리기 위해 광섬유를 사용하였다. 톱니바퀴가 천천히 돌 때는 톱니바퀴 틈을 통과한 빛이 5.5km 광케이블을 지나서 다시 되돌아 왔을 때 처음 지났던 톱니바퀴 틈을 통과할 수 있다.(빛이 카메라에 촬영됨) 하지만 톱니바퀴가 빨리 돌 때는 되돌아 온 빛이 톱니바퀴 틈을 통과할 수 없다.(빛이 카메라에 촬영되지 않음)

빛의 속력은 빛이 이동한 거리를 그것을 통과하는 데 걸린 시간으로 나눈 값이다. 그러므로 빛이 광케이블을 통해 이동한 거리(5.5km)와 빛이 카메라에 촬영되지 않을 때의 톱니바퀴의 분당 회전 수 및 톱니바퀴의 개수를 알면 빛의 속력을 구할 수 있다. 이렇게 과천과학관에 설치된 광속측정 장치로 계산한 빛의 속력은 약 280,000,000m/s 이다. 측정한 빛의 속력이 피조가 측정한 빛의 속력인 313,000,000m/s 보다 작은 이유는 실험장치의 오차 때문이다.

국립과천과학관