빛의 속도
현재 주류 과학에 따르면 빛은 초속 186,000mi의 일정하고 유한한 속도로 이동합니다. 빛의 속도로 움직이는 여행자는 적도를 1초에 약 7.5회 왕복할 것입니다. 이에 비해 제트 항공기를 타고 지상 속도 500마일로 이동하는 여행자는 4시간에 한 번 미국 대륙을 횡단할 것입니다.햇빛은 태양 표면에서 지구까지의 평균 거리를 이동하는 데 약 8분 17초가 걸립니다.
일반적으로 c로 표시되는 진공에서의 빛의 속도는 물리학의 많은 분야에서 중요한 보편적인 물리 상수입니다. 정확한 값은 초속 299792458m(약 3.00×108m/s)입니다. 왜냐하면 미터 길이는 이 상수와 시간에 대한 국제 표준으로부터 정의되기 때문입니다. 특수 상대성 이론에 따르면 c는 우주의 모든 물질과 그에 따른 정보가 이동할 수 있는 최대 속도입니다. 질량이 없는 모든 입자와 관련 장(빛과 중력파와 같은 전자기 복사 포함)의 변화가 진공에서 이동하는 속도입니다.[1]
가디언의 관점에서 보면 빛의 속도는 일정하거나 유한한 것이 아니라 시간이나 공간 내에서 의식의 역에 상대적.인 것이므로 주파수 파동이 짧을수록 주파수 스펙트럼이 높아지므로 의식체가 확대될수록 빛의 속도는 더 빨라집니다.
빛의 속도는 일반적으로 c로 표시되는 진공에서의 빛의 속도는 초속 299,792,458 미터와 정확히 일치하는 보편적인 물리 상수입니다(초속 약 30만 킬로미터, 초속 186,000 마일, 시속 6억 7,100만 마일).[Note 3] 특수 상대성 이론에 따르면 c는 기존의 물질이나 에너지(따라서 정보를 전달하는 모든 신호)가 우주를 이동할 수 있는 속도의 상한입니다.[4][5][6]
정확한 값 : 초속 299 792 458 미터
빛의 속도 대락적 값 (유효한 세자리까지) :
시속 킬로미터 : 1 080 000 000
초속 마일 : 186 000
시속 마일[1] : 671 000 000
1일 천문단위 : 173[Note 1]
일년분의 파섹 :0.307[Note 2]
대략적 빛의 신호 이동 시간 :
가시광선을 포함한 모든 형태의 전자기 방사선은 빛의 속도로 이동합니다. 많은 실용적인 목적을 위해 빛과 다른 전자파는 순간적으로 전파되는 것처럼 보이지만 장거리 및 매우 민감한 측정의 경우 유한 속도가 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 지구에서 보는 모든 별빛은 먼 과거로부터 온 것으로, 인간이 먼 물체를 보고 우주의 역사를 연구할 수 있게 해줍니다. 원거리 우주 탐사선과 통신할 때 신호가 이동하는 데 몇 분에서 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 컴퓨팅에서 빛의 속도는 궁극적인 최소 통신 지연을 고정합니다. 빛의 속도는 비행 측정 시간에 사용하여 먼 거리를 극도로 높은 정밀도로 측정할 수 있습니다.
올레 뢰머는 1676년 목성의 달 이오의 겉보기 운동을 연구함으로써 빛이 순간적으로 이동하지 않는다는 것을 처음으로 증명했습니다. 속도에 대한 보다 정확한 측정은 다음 세기 동안 계속되었습니다. 1865년에 출판된 논문에서 제임스 클러크 맥스웰은 빛이 전자기파이므로 c 속도로 이동한다고 제안했습니다.[7] 1905년 알버트 아인슈타인은 어떤 관성 기준틀에 대한 빛의 속도 c는 상수이며 광원의 운동에 무관하다고 가정했습니다.[8] 그는 상대성 이론을 유도함으로써 그 가설의 결과를 탐구했고, 그렇게 함으로써 매개변수 c가 빛과 전자기학의 맥락을 벗어나 관련성이 있다는 것을 보여주었습니다.
질량 없는 입자와 중력파와 같은 필드 섭동도 진공에서 속도 c로 이동합니다. 이러한 입자와 파동은 소스의 움직임이나 관측자의 관성 기준 프레임과 상관없이 c로 이동합니다. 정지 질량이 0이 아닌 입자는 가속되어 c에 접근할 수 있지만 속도가 측정되는 기준 프레임에 관계없이 c에 도달할 수 없습니다. 상대성 이론에서, 공간과 시간은 상호 연관되어 있으며, 유명한 질량-에너지 등가물인 E = mc에 나타납니다.
광속 수치, 표기 및 단위
가시광선을 포함한 모든 형태의 전자기 방사선은 빛의 속도로 이동합니다. 많은 실용적인 목적을 위해 빛과 다른 전자파는 순간적으로 전파되는 것처럼 보이지만 장거리 및 매우 민감한 측정의 경우 유한 속도가 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 지구에서 보는 모든 별빛은 먼 과거로부터 온 것으로, 인간이 먼 물체를 보고 우주의 역사를 연구할 수 있게 해줍니다. 원거리 우주 탐사선과 통신할 때 신호가 이동하는 데 몇 분에서 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 컴퓨팅에서 빛의 속도는 궁극적인 최소 통신 지연을 고정합니다. 빛의 속도는 비행 측정 시간에 사용하여 먼 거리를 극도로 높은 정밀도로 측정할 수 있습니다.
때때로 c는 어떤 물질 매질에서도 파동의 속도를 위해 사용되고0, c는 진공에서 빛의 속도를 위해 사용됩니다.[12] 공식 SI 문헌에 승인된 이 가입된 표기법은 관련 전자기 상수와 동일한 형태를 갖습니다: 즉, 진공 투과율 또는 자기 상수의 경우 μ, 진공 유전율 또는 전기 상수의 경우 ε, 자유 공간의 임피던스의 경우 Z입니다. 이 기사는 진공에서 빛의 속도만을 사용합니다.
단위 시스템에서 사용
(자세한 정보: 미터 § 광속 정의에서 찿아보자)
1983년부터 국제단위계(SI)에서 상수 c는 정확히 299792458 m/s로 정의되어 왔습니다. 이 관계는 빛이 진공에서 이동하는 거리를 미터로 정의하는 데 사용됩니다. 1⁄299792458 of a second. 따라서 c의 값을 사용하고 초를 정확하게 측정함으로써 미터에 대한 표준을 확립할 수 있습니다.[14] 차원 물리 상수로서 c의 수치는 단위계마다 다릅니다. 예를 들어 제국 단위에서 빛의 속도는 초당 약 186282마일, [Note 4]즉 나노초당 약 1피트입니다.[Note 5][15][16]
상대성 이론처럼 c가 자주 나타나는 물리학 분야에서는 c = 1인 기하학적 단위계나 자연계 측정 단위계를 사용하는 것이 일반적입니다. 이 단위들을 사용하면 c가 명시적으로 나타나지 않는데, 왜냐하면 곱셈이나 1로 나누어도 결과에 영향을 주지 않기 때문입니다. 초당 광초 단위는 생략되더라도 여전히 관련이 있습니다.
물리학에서의 기본적인 역할
(참고 항목: 특수상대성과 빛의 일방향 속도)
진공에서 광파가 전파되는 속도는 파동원의 운동과 관측자의 관성 기준 프레임 모두에 독립적입니다.[Note 6] 빛의 속도에 대한 이러한 불변성은 맥스웰의 전자기 이론과 발광 에테르에 대한 운동에 대한 증거의 부족에 의해 동기 부여되어 [8]1905년 아인슈타인에 의해 가정되었습니다.[19] 이후 많은 실험을 통해 지속적으로 확인되었습니다.[Note 7] 빛의 일방향 속도를 측정하는 것은 불가능하기 때문에(예를 들어, 소스에서 거울로, 다시 등으로) 빛의 양방향 속도가 프레임과 무관하다는 것을 실험적으로만 확인할 수 있습니다. 소스와 디텍터의 클럭이 동기화되어야 하는 방법에 대한 규칙 없이 소스에서 원격 디텍터로).[20][21]
시계에 아인슈타인 동기화를 적용함으로써 빛의 일방향 속도는 정의상 빛의 일방향 속도와 같아집니다.[20][21] 특수 상대성 이론은 물리 법칙이 모든 관성 기준 프레임에서 동일하다는 가정 하에 c의 이러한 불변성의 결과를 탐구합니다.[22][23] 한 가지 결과는 c가 빛을 포함한 모든 질량 없는 입자와 파동이 진공 속에서 이동해야 하는 속도라는 것입니다.[24][Note 8]
특수 상대성 이론은 많은 반직관적이고 실험적으로 검증된 함의를 가지고 있습니다.[26] 여기에는 질량과 에너지의 등가성(E = mc), 길이 수축(움직이는 물체가 짧아짐) 및 시간 확장(움직이는 시계가 더 느리게 실행됨)이 포함됩니다. 길이가 수축하고 시간이 확장되는 인자 γ을 로렌츠 인자라고 하며 γ = (1 - v/c)로 표시되며, 여기서 v는 물체의 속도입니다. γ과 1의 차이는 c보다 훨씬 느린 속도에 대해서는 무시할 수 있지만, 이 경우 특수 상대성 이론은 갈릴레이 상대성 이론에 의해 밀접하게 근사됩니다. 그러나 상대론적 속도에서 증가하고 v가 c에 접근함에 따라 무한대로 발산합니다. 예를 들어, γ =2의 시간 팽창 계수는 광속의 86.6%의 상대 속도(v = 0.866c)에서 발생합니다. 마찬가지로 γ = 10의 시간 팽창 계수는 광속의 99.5%에서 발생합니다(v = 0.995 c).
특수 상대성 이론의 결과는 공간과 시간을 시공간으로 알려진 통합된 구조로 취급하고 물리 이론이 로런츠 불변성이라는 특수 대칭을 만족하도록 요구함으로써 요약될 수 있습니다. 그 수학적 공식은 매개 변수 c를 포함합니다.[29] 로렌츠 불변성은 양자 전기역학, 양자 색역학, 입자 물리학의 표준 모델 및 일반 상대성 이론과 같은 현대 물리 이론의 거의 보편적인 가정입니다. 이처럼 매개변수 c는 현대 물리학에서 어디에나 존재하며 빛과 무관한 많은 맥락에서 나타납니다. 예를 들어, 일반 상대성 이론은 c가 중력의 속도와 중력파의 속도이기도 [30]하다고 예측하는데, 중력파에 대한 관측은 이 예측과 일치했습니다.[31] 비 관성 기준 프레임(중력적으로 휘어진 시공간 또는 가속된 기준 프레임)에서 빛의 국소 속도는 일정하고 c와 동일하지만 측정값을 지역에 외삽하는 방법에 따라 원격 기준 프레임에서 측정할 때 빛의 속도는 c와 다를 수 있습니다.[32]
일반적으로 c와 같은 기본 상수는 시공간 전반에 걸쳐 동일한 값을 갖는다고 가정하는데, 이는 위치에 의존하지 않고 시간에 따라 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 하지만 시간이 지남에 따라 빛의 속도가 달라졌을 수 있다는 것이 여러 이론에서 제시되었습니다.[33][34] 그러한 변화에 대한 결정적인 증거는 발견되지 않았지만, 그것들은 계속되는 연구의 주제로 남아 있습니다.[35][36]
일반적으로 빛의 속도는 등방성이라고 가정하는데, 이는 빛이 측정되는 방향에 상관없이 동일한 값을 갖는다는 것을 의미합니다. 자기장에서 방출하는 핵의 방향에 대한 함수로서 핵 에너지 수준의 방출을 관찰한 결과(휴즈-드리버 실험 참조)와 회전하는 광 공진기(공진기 실험 참조)는 가능한 양방향 이방성에 엄격한 제한을 가했습니다.[37][38]
속도 상한
특수 상대성 이론에 따르면 정지 질량 m과 속도 v를 가진 물체의 에너지는 γmc에 의해 주어지는데, 여기서 γ는 위에서 정의한 로렌츠 인자입니다. v가 0일 때 γ은 1과 같으며 질량-에너지 등가에 대한 유명한 E = mc 공식이 생성됩니다. v가 c에 가까워지면 γ인자는 무한대에 가까워지고, 질량을 가진 물체를 빛의 속도로 가속시키기 위해서는 무한대의 에너지가 필요합니다. 빛의 속도는 양의 정지 질량을 가진 물체의 속도의 상한이며, 개별 광자는 빛의 속도보다 더 빨리 이동할 수 없습니다.[39] 이것은 상대론적 에너지와 운동량에 대한 많은 테스트에서 실험적으로 확립되었습니다.[40]
더 일반적으로 신호나 에너지가 c보다 더 빨리 이동하는 것은 불가능합니다. 이에 대한 한 가지 주장은 동시성의 상대성 이론으로 알려진 특수 상대성 이론의 반직관적 함의에서 비롯됩니다. 두 이벤트 A와 B 사이의 공간적 거리가 c를 곱한 시간 간격보다 크면 A가 B보다 선행하는 참조 프레임과 B가 A보다 선행하는 참조 프레임이 동시에 존재합니다. 결과적으로 관성 기준 프레임에 비해 c보다 더 빠르게 이동하는 것이라면 다른 프레임에 비해 시간이 거꾸로 이동하고 인과관계가 침해될 것입니다.[Note 10][43] 이러한 기준 프레임에서는 "원인" 이전에 "효과"가 관찰될 수 있습니다. 이러한 인과관계 위반은 기록된 적이 없으며,[21] 빠른 속도의 안티테레폰과 같은 역설을 초래할 것입니다.[44]
빛보다 빠른 관측 및 실험
(참고 항목: 빛보다 빠른 초광속 운동)
물질, 에너지 또는 정보를 전달하는 신호가 c보다 더 큰 속도로 이동하는 것처럼 보일 수 있지만 그렇지 않은 상황이 있습니다. 예를 들어, 아래의 중간 영역에서 빛의 전파에서 논의된 바와 같이 많은 파동 속도가 c를 초과할 수 있습니다. 대부분의 안경을 통과하는 X선의 위상 속도는 일상적으로 c를 초과할 수 [45]있지만 위상 속도는 파동이 정보를 전달하는 속도를 결정하지 않습니다.[46]
레이저 광선이 멀리 있는 물체를 빠르게 스윕하면 빛의 지점이 c보다 더 빠르게 움직일 수 있지만 빛이 멀리 있는 물체에 도달하는 데 걸리는 시간 때문에 지점의 초기 이동이 지연됩니다. 그러나 움직이는 유일한 물리적 실체는 레이저와 레이저가 방출하는 빛으로 레이저에서 그 지점의 다양한 위치까지 속도 c로 이동합니다. 마찬가지로, 멀리 있는 물체에 투영된 그림자는 시간이 지연된 후 c보다 더 빨리 움직이도록 만들 수 있습니다.[47] 두 경우 모두 어떤 물질, 에너지 또는 정보도 빛보다 더 빠르게 이동하지 않습니다.[48]
기준 프레임에서 두 물체 사이의 거리 변화율(닫힘 속도)은 c를 초과하는 값을 가질 수 있습니다. 그러나 이것은 단일 관성 프레임에서 측정한 단일 물체의 속도를 나타내는 것은 아닙니다.[48]
특정 양자 효과는 EPR 역설에서와 같이 c보다 즉각적으로, 따라서 더 빠르게 전달되는 것으로 보입니다. 한 예로 얽힌 두 입자의 양자 상태를 들 수 있습니다. 입자들 중 어느 하나가 관찰될 때까지, 그들은 두 개의 양자 상태의 중첩 상태로 존재합니다. 입자가 분리되어 한 입자의 양자 상태를 관찰하면 다른 입자의 양자 상태가 순간적으로 결정됩니다. 그러나 첫 번째 입자가 관찰될 때 어떤 양자 상태를 띠게 될지 제어할 수 없기 때문에 이런 방식으로는 정보를 전달할 수 없습니다.[48][49]
빛보다 빠른 속도의 발생을 예측하는 또 다른 양자 효과는 하트만 효과라고 불리는데, 특정 조건에서 가상 입자가 장벽을 통과하는 데 필요한 시간은 장벽의 두께에 관계없이 일정합니다.[50][51] 이로 인해 가상 입자가 빛보다 더 빨리 큰 간격을 통과할 수 있습니다. 그러나 이 효과를 사용하여 정보를 전송할 수 없습니다.[52]
소위 초광속 운동은 전파 은하와 퀘이사의 상대론적 제트와 [53]같은 특정 천문학적 물체에서 볼 수 있습니다. 그러나 이 제트는 빛의 속도를 초과하는 속도로 움직이지 않습니다. 겉보기 초광속 운동은 물체가 빛의 속도 가까이 이동하여 가시선에 대해 작은 각도로 지구에 접근함으로써 발생하는 투사 효과입니다. 제트가 더 멀리 있을 때 방출되는 빛은 지구에 도달하는 데 더 오래 걸렸기 때문에, 두 개의 연속적인 관찰 사이의 시간은 광선이 방출된 순간 사이의 더 긴 시간에 해당합니다.[54]
중성미자가 빛보다 더 빨리 이동하는 것이 관찰된 2011년의 실험은 실험 오차 때문인 것으로 밝혀졌습니다.[55][56]
팽창하는 우주의 모델에서 은하들은 서로 멀리 떨어져 있을수록 더 빨리 떨어져 나갑니다. 예를 들어, 지구에서 멀리 떨어진 은하는 거리에 비례하는 속도로 지구에서 멀어지고 있다고 추론됩니다. 허블 구라고 불리는 경계 너머에서, 그들의 지구로부터의 거리가 증가하는 속도는 빛의 속도보다 더 커집니다.[57] 우주론적 시간당 적절한 거리의 증가로 정의되는 이러한 후퇴율은 상대론적 의미에서 속도가 아닙니다. 빛보다 빠른 우주론적 불황 속도는 좌표 인공물일 뿐입니다.
빛의 전파
고전 물리학에서 빛은 전자기파의 한 종류로 설명됩니다. 전자기장의 고전적인 거동은 맥스웰 방정식에 의해 기술되는데, 맥스웰 방정식은 전자기파가 진공에서 전파되는 속도 c가 전기 상수 ε와 자기 상수 μ로 알려진 진공의 분산된 커패시턴스와 인덕턴스와 관련이 있다고 예측합니다. 등식으로[58]
빛의 속도가 주파수에 따라 달라지는 또 다른 이유는 특수 상대성 이론이 제안된 양자 중력 이론에서 예측한 것처럼 임의의 작은 규모에 적용되지 않기 때문입니다. 2009년, 감마선 버스트 GRB 090510의 관측은 에너지에 대한 광자 속도의 의존성에 대한 증거를 발견하지 못했고, 이 속도가 플랑크 규모에 접근하는 에너지에 대한 광자 에너지의 영향을 어떻게 받는지에 대한 시공간 양자화의 특정 모델의 엄격한 제약을 뒷받침했습니다.[62]
중간에. (In s medium)
(참고 항목: 굴절률)
매질에서 빛은 일반적으로 c와 같은 속도로 전파되지 않으며, 더 나아가 다른 종류의 광파는 다른 속도로 이동합니다. 평면파의 개별 마루와 골이 전파되는 속도를 위상 속도 v라고p 합니다. 유한한 범위(빛의 펄스)를 가진 물리적 신호는 다른 속도로 이동합니다. 펄스의 전체 외피는 군 속도 v로g 이동하고, 가장 초기의 부분은 전방 속도f v로 이동합니다.[63]
빛의 전파 : 파란점:위상, 녹색점:외피, 빨간점:전면
이러한 옵션 중 어느 것도 정보를 c보다 빠르게 전송할 수 없습니다. 펄스의 초기 부분의 속도(전방 속도)보다 더 빠른 광 펄스로 정보를 전송하는 것은 불가능합니다. 이것은 (특정 가정 하에서) 항상 c와 같다는 것을 알 수 있습니다.[63]
입자는 그 매질에서 빛의 위상 속도보다 더 빠르게 매질을 통과할 수 있습니다(그러나 여전히 c보다 느립니다). 전하를 띤 입자가 유전체 물질에서 그런 일을 할 때, 체렌코프 복사라고 알려진 충격파의 전자기 등가물이 방출됩니다.[75]
유한성의 실질적 효과
빛의 속도는 통신과 관련이 있습니다. 편도 및 왕복 지연 시간은 0보다 큽니다. 이것은 작은 규모에서 천문학적 규모까지 적용됩니다. 반면, 거리 측정과 같은 일부 기술은 빛의 유한 속도에 의존합니다.
작은 비늘
컴퓨터에서 빛의 속도는 프로세서 사이에서 데이터를 얼마나 빨리 보낼 수 있는지에 대한 제한을 가합니다. 프로세서가 1기가헤르츠로 작동할 경우 신호는 한 번의 클럭 주기로 최대 약 30cm(1ft) 정도만 이동할 수 있습니다. 실제로는 인쇄 회로 기판이 신호를 굴절시키고 속도를 늦추기 때문에 이 거리는 훨씬 짧습니다. 따라서 통신 지연을 최소화하기 위해 메모리 칩뿐만 아니라 프로세서를 서로 가까이 배치해야 하며, 신호 무결성을 보장하기 위해 와이어를 라우팅할 때 주의해야 합니다. 클럭 주파수가 계속 증가하면 결국 빛의 속도는 단일 칩의 내부 설계에 제한 요소가 될 수 있습니다.[76][77]
지구의 먼 거리
지구 적도의 원둘레가 약 40075 km이고 c가 약 300,000 km/s임을 감안하면, 한 정보가 표면을 따라 지구의 절반을 이동하는 이론적으로 가장 짧은 시간은 약 67 밀리초입니다. 빛이 광섬유(투명한 물질)로 이동할 때 실제 통과 시간은 더 길어지는데, 부분적으로 빛의 속도가 굴절률 n에 따라 광섬유에서 약 35% 느려지기 때문입니다.[Note 11] 글로벌 통신에서 직선은 드물고 신호가 전자 스위치나 신호 재생기를 통과할 때 이동 시간이 늘어납니다.[79]
이 거리는 대부분의 응용 분야에서 크게 관련이 없지만, 거래자가 다른 거래자보다 몇 초 앞서 거래소에 거래를 전달하여 미세한 이점을 얻으려는 고주파 거래와 같은 분야에서는 지연 시간이 중요합니다. 예를 들어, 거래자들은 공기를 통해 빛의 속도에 가까운 속도로 이동하는 전파가 상대적으로 느린 광섬유 신호에 비해 갖는 이점 때문에 거래 허브 사이의 마이크로파 통신으로 전환해 왔습니다.[80][81]
우주비행과 천문학
마찬가지로, 지구와 우주선 사이의 통신은 순간적인 것이 아닙니다. 소스에서 수신기까지 짧은 지연이 발생하며, 거리가 증가할수록 더 눈에 띕니다. 이 지연은 아폴로 8호가 달 궤도를 도는 최초의 승무원 우주선이 되었을 때 지상 관제소와 아폴로 8호 사이의 통신에 중요했습니다. 모든 질문에 대해 지상 관제소는 답이 도착하기까지 최소 3초를 기다려야 했습니다.[82]
지구와 화성 사이의 통신 지연 시간은 두 행성의 상대적 위치에 따라 5분에서 20분 사이로 다를 수 있습니다. 결과적으로, 화성 표면에 있는 로봇이 문제에 직면한다면, 그것의 인간 제어기들은 5-20분이 지나서야 그것을 인식할 수 있었습니다. 그러면 명령어가 지구에서 화성으로 이동하는 데 5-20분이 더 걸릴 것입니다.[83]
멀리 떨어진 천문원에서 빛과 다른 신호를 받는 데는 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다. 예를 들어, 허블 초심도장 영상으로 본 먼 은하계에서 빛이 지구로 이동하는 데는 130억 년(13×109)이 걸립니다.[84][85] 오늘날 촬영된 이 사진들은 130억 년 전 우주가 10억 년 미만일 때 은하계의 모습을 담고 있습니다.[84] 빛의 속도가 유한하기 때문에 더 먼 물체가 더 젊어 보인다는 사실은 천문학자들이 별의 진화, 은하의 진화, 우주 자체를 추론할 수 있게 해줍니다.[86]
천문학적 거리는 특히 대중적인 과학 출판물과 미디어에서 광년으로 표현되기도 합니다.[87] 광년(光年)은 빛이 율리우스력 1년 동안 이동하는 거리로, 약 9461억 킬로미터, 5879억 마일 또는 0.3066 파섹입니다. 둥근 수치로 보면, 1광년은 거의 10조 킬로미터 또는 거의 6조 마일입니다. 태양 다음으로 지구와 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리는 약 4.2광년 떨어져 있습니다.[88]
거리측정
(주 기사: 거리측정)
레이더 시스템은 표적에 반사된 후 레이더 안테나로 돌아오는 전파 펄스가 걸리는 시간으로 표적까지의 거리를 측정합니다. 표적까지의 거리는 왕복 통과 시간의 절반에 빛의 속도를 곱한 것입니다. GPS(Global Positioning System) 수신기는 각 위성에서 무선 신호가 도착하는 데 걸리는 시간을 기반으로 GPS 위성까지의 거리를 측정하고, 이 거리로부터 수신기의 위치를 계산합니다. 빛은 1초에 약 300,000 킬로미터(186,000 마일)를 이동하기 때문에, 1초의 작은 부분에 대한 이러한 측정은 매우 정확해야 합니다. Lunar Laser Ranging 실험, 레이더 천문학, 그리고 Deep Space Network는 [91]각각 왕복 통과 시간을 측정함으로써 달,[89] 행성[90], 그리고 우주선까지의 거리를 결정합니다.
측정.
천문학적 측정
우주 공간은 규모가 크고 진공이 거의 완벽하기 때문에 빛의 속도를 측정하기에 편리한 설정입니다. 일반적으로 빛이 지구 궤도의 반지름과 같은 태양계의 일부 기준 거리를 통과하는 데 필요한 시간을 측정합니다. 역사적으로, 그러한 측정은 기준 거리의 길이가 지구에 기반을 둔 단위에서 얼마나 정확하게 알려져 있는지에 비해 상당히 정확하게 이루어질 수 있었습니다.
올레 크리스텐센 뢰머는 1676년에 처음으로 빛의 속도를 정량적으로 추정하기 위해 천문학적인 측정을 사용했습니다.[93][94] 지구에서 측정했을 때, 지구가 행성에 접근할 때 지구가 행성으로부터 멀어질 때보다 먼 행성 주위를 도는 위성의 주기가 짧습니다. 차이는 적지만 몇 달에 걸쳐 측정하면 누적 시간이 유의해집니다. 빛으로 행성(또는 달)에서 지구까지 이동하는 거리는 지구가 행성에 가장 가까운 궤도 지점에 있을 때보다 지구가 궤도에서 가장 먼 지점에 있을 때, 거리의 차이는 지구가 태양 주위를 도는 궤도의 지름입니다. 관측된 달의 공전 주기 변화는 빛이 더 짧거나 더 긴 거리를 통과하는 데 걸리는 시간의 차이 때문에 발생합니다. 뢰머는 이 효과를 목성의 가장 안쪽에 있는 주요 위성 이오(Io)에 대해 관찰하고 빛이 지구 궤도의 지름을 가로지르는데 22분이 걸린다고 추론했습니다.[93]
또 다른 방법은 18세기에 제임스 브래들리가 발견하고 설명한 빛의 수차를 이용하는 것입니다.[95] 이 효과는 멀리 떨어진 소스(별과 같은)에서 도달하는 빛의 속도와 관찰자의 속도의 벡터 추가로 인해 발생합니다(오른쪽 그림 참조). 따라서 움직이는 관찰자는 빛이 약간 다른 방향에서 오는 것을 보고 결과적으로 원래 위치에서 이동한 위치에 있는 소스를 봅니다. 지구가 태양 주위를 돌면서 지구 속도의 방향이 계속 변하기 때문에, 이 효과는 별들의 겉보기 위치를 움직이게 합니다. 별들의 위치에 대한 각도 차이(최대 20.5 초)[96]로부터 빛의 속도를 태양 주위의 지구 속도로 표현할 수 있으며, 1년의 길이로 태양에서 지구까지 이동하는 데 필요한 시간으로 환산할 수 있습니다. 1729년 브래들리는 이 방법을 사용하여 빛이 지구보다 1,210배 빠르게 궤도를 이동한다는 것(현대적인 수치는 10066배 더 빠르다) 또는 이와 동등하게 빛이 태양에서 지구까지 이동하는 데 8분 12초가 걸린다는 것을 도출했습니다.[95]
천문단위
천문단위(AU)는 대략 지구와 태양 사이의 평균 거리입니다. 그것은 2012년에 정확히 149597870700m로 재정의되었습니다.[97][98] 이전에 AU는 국제단위계가 아니라 고전역학의 틀에서 태양이 발휘하는 중력에 기반을 두고 있었습니다.[Note 12] 현재의 정의는 측정에 의해 결정된 천문 단위의 이전 정의에 권장되는 값(미터)을 사용합니다.[97] 이러한 재정의는 미터와 유사하며, 마찬가지로 초당 천문학적 단위로 정확한 값으로 광속을 고정하는 효과가 있습니다(정확한 광속을 통해 초당 미터).[100]
이전에는 태양과 다양한 행성의 중력 효과로 계산된 위치와 함께 전파 신호가 태양계의 다른 우주선에 도달하는 시간을 비교하여 천문학 단위당 초 단위로 표현된 c의 역수를 측정했습니다. 이러한 측정치를 많이 결합하여 단위 거리당 광시간에 가장 적합한 값을 얻을 수 있었습니다. 예를 들어, 2009년 국제천문연맹(IAU)이 승인한 최고의 추정치는 다음과 같습니다.[101][102]
비행시간기법
빛의 속도를 측정하는 방법은 알려진 거리에서 거울로 빛이 이동하는 데 필요한 시간을 측정하는 것입니다. 이것은 Hippolyte Fizeau와 Léon Foucault의 실험 뒤에 있는 작동 원리입니다.
Fizau가 사용한 설정은 8km(5mi) 떨어진 거울을 향한 빛줄기로 구성됩니다. 소스에서 미러로 가는 도중 빔은 회전하는 톱니바퀴를 통과합니다. 일정한 회전 속도로 빔은 나가는 길에 한 틈을 통과하고 돌아오는 길에 다른 틈을 통과하지만, 약간 높거나 낮은 속도에서는 빔이 치아에 부딪혀 바퀴를 통과하지 않습니다. 바퀴와 거울 사이의 거리, 바퀴의 톱니 수, 회전 속도를 알면 빛의 속도를 계산할 수 있습니다.[104]
푸코의 방식은 톱니바퀴를 회전하는 거울로 대체합니다. 빛이 먼 거울로 갔다가 돌아오는 동안 거울이 계속 회전하기 때문에, 빛이 나가는 도중에 회전하는 거울에서 빛이 반사되어 돌아오는 길과는 다른 각도로 반사됩니다. 이 각도의 차이로부터 알려진 회전 속도와 먼 거울까지의 거리를 계산할 수 있습니다.[105] 프랑수아 아라고의 제안에 따라 푸코는 공기 대 물의 빛의 속도를 측정하기 위해 이 장치를 사용했습니다.[106]
오늘날 시간 해상도가 1나노초 미만인 오실로스코프를 사용하면 레이저나 거울에서 반사되는 LED에서 나오는 광펄스의 지연을 타이밍하여 빛의 속도를 직접 측정할 수 있습니다. 이 방법은 다른 현대 기술보다 정밀도가 낮지만(오차는 1%) 대학 물리 수업에서 실험실 실험으로 사용되기도 합니다.[107]
전자레인지와 마시멜로나 마가린과 같은 음식을 사용하여 이 기술의 가정용 시연이 가능합니다. 음식이 움직이지 않도록 턴테이블을 제거하면 음식이 녹기 시작하는 안티노드(파형 진폭이 가장 큰 지점)에서 가장 빨리 요리됩니다. 이러한 두 지점 사이의 거리는 마이크로파의 파장의 절반입니다. 이 거리를 측정하고 파장에 마이크로파 주파수를 곱하면 "보통 5% 미만의 오차로" c 값을 계산할 수 있습니다.[112][113]
간섭계
간섭계는 빛의 속도를 측정하기 위한 전자기 복사의 파장을 찾는 또 다른 방법입니다.[Note 14] 주파수(f)가 알려진 레이저(예를 들어, 레이저)의 가간섭성 광선은 두 경로를 따라 분할된 다음 재결합됩니다. 간섭 패턴을 관찰하면서 경로 길이를 조절하고 경로 길이의 변화를 주의 깊게 측정하면 빛의 파장(λ)을 알 수 있습니다. 그런 다음 c = λf 방정식을 사용하여 빛의 속도를 계산합니다.
레이저 기술이 등장하기 전에는 빛의 속도에 대한 간섭계 측정을 위해 가간섭성 전파원이 사용되었습니다.[115] 파장의 간섭 측정은 파장에 따라 덜 정밀해지고 따라서 실험은 전파의 긴 파장(~4mm(0.16인치)에 의해 정밀도가 제한되었습니다. 파장이 짧은 빛을 이용하면 정밀도를 높일 수 있지만, 그러면 빛의 주파수를 직접 측정하기가 어려워집니다.[116]
이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 주파수를 정확하게 측정할 수 있는 저주파 신호에서 시작하여 이 신호에서 더 높은 주파수 신호를 점진적으로 합성하여 원래 신호와 연결할 수 있습니다. 그런 다음 레이저를 주파수에 고정하고 간섭계를 사용하여 파장을 확인할 수 있습니다.[116] 이 기술은 국가 표준국(후에 국가 표준 기술 연구소가 된)의 단체에 의한 것이었습니다. 그들은 1972년에 이것을 사용하여 3.5×10의−9 분수불확실성을 가진 진공 속에서 빛의 속도를 측정했습니다.[116][117]