C. 빛의 속도

사진 3-5-C-1. 빛의 속도는 진공 속에서 299,792,458m/s

 물리적인 관점에서 보는 빛은 전자기파이며, 매질이 없이도 전파되어 나간다. 빛은 각각의 여러 물질과도 상호작용을 하며, 간섭 및 회절과 같은 파동성을 가짐과 동시에 양자적인 성질의 입자성을 띠기도 하고, 일정한 에너지를 갖고 있으므로 빛의 속도 개념을 이해하는 것은 매우 중요하다.

 오래전부터 실제로 빛의 속도를 측정하려고 시도했던 과학자들에 의한 역사를 되돌아보는 일은 가슴 두근거리는 흥분을 가져다준다. 하지만 현재 빛의 속도는 정확한 값으로 정의되어 있으며, 진공 속에서 빛의 속도는 초속 299,792,458m로서 1초에 약 30만km이다. 이러한 진공 중 빛의 속도(c)는 변하지 않는, 물리적으로 매우 중요한 상수이다.

 과학의 발달과 함께 20세기 중반부터 빛의 속도를 점점 더 정확하게 측정하는 실험들이 개발되었고, 계속 빛의 속도의 값이 불확실하게 비교되었으므로, 마침내 1975년에 개최되었던 15회 국제도량형총회(Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM)에서 빛의 속도를 299,792,458m/s로 지정하였으며, 1983년에 있었던 17회 CGPM에서는 미터(m)를 '빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 움직인 거리'라고 재정의하면서 진공에서의 빛의 속도는 정확히 299,792,458m/s로 고정되었고, 이것이 현재의 SI 단위가 되었다.

 일반적으로 물체의 속도는 단위시간 동안 이동한 거리로 정의된다. 여기서 빛의 속도를 표현하기 위해 단위시간을 전자기파가 한번 진동하는 시간으로 정한다면, 단위시간은 전자기파가 한 번 진동하는 데 걸리는 시간, 즉 주기 T이고 단위시간 동안 이동한 거리는 전자기파의 파장 λ이 되므로, 다음과 같이 빛의 속도를 파장과 주기(진동수 f의​ 역수)로 표현할 수 있다.

c = λ / T = λ f

​ 어떠한 물체도 빛보다 빨리 이동할 수는 없다. 상대성 이론의 근간인 광속불변의 원리란 어떤 관측자가 보아도(관측자가 빛의 속도에 가까운 우주선을 타고 있는 경우라도) 진공 중 빛의 속도 c는 변하지 않고 일정하다는 것이다. 하지만 빛이 물질을 지날 때는 진공에서의 속도보다 항상 느려진다. 즉, 빛이 어떤 매질을 투과하며 지나갈 때 그 속도는 진공 중 속도보다 항상 느려지게 되는데, 이때 빛의 속도가 얼마나 느려지는가를 통해 물질의 굴절률이 정의된다. 진공 중에서 빛의 속도를 c라 하고, n이라는 굴절률을 가지는 매질을 지나는 빛의 속도 v는 다음과 같이 기술된다.

n = c / ν

  또한, 참고로 물질에 따른 굴절률과 각 물질을 통과하는 빛의 속도를 산출해 보면 다음과 같다.

 

표 3-5-C-1. 물질에 따른 굴절률과 물질 내 빛의 속도

참고문헌

1. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 14-6.​
2. 이치원. 이해하기 쉬운 광학과 레이저 그 원리와 이용. 공주대학교출판부 2011: 8-9.

*1. Bureau International Des Poids et Mesures. Definition of the metre. Resolution 1. The 17th Conférence Générale des Poids et Mesures (1983). Comptes Rendus 1984: 97-8.
*2. Bureau International Des Poids et Mesures. Recommended value for the speed of light. Resolution 2. The 15th Conférence Générale des Poids et Mesures (1975). Imprimerie Durand 1976: 103.
*3. Giacomo P. News from the BIPM. Metrologia 1984; 20: 25.
*4. Terrien J. News from the Bureau International des Poids et Mesures. Metrologia 1975; 11: 179.

 

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레이저의 구조와 원리