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빛의 속력: 두 판 사이의 차이

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[[파일:Speed of light from Earth to Moon.gif|섬네일|right|thumb|지구로부터 달까지는 빛의 속력으로 1.3초가 걸린다.
{| cellpadding="10" cellspacing="0" border="1" width="100%"
|+ 빛의 속력과 관련된 값
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=== 맥스웰 방정식 ===
 
[[맥스웰]]은 그 이전에 물리학에서 따로 여겨졌던 [[전기]]와 [[자기]]를 묶어 통일적으로 설명할 수 있는 방정식을 만들었고, 이 방정식을 기초로 자신의 전자기장이론을 확립하였다. [[맥스웰 방정식]]은 [[가우스 법칙]], [[가우스 자기 법칙]], [[패러데이 전자기 유도 법칙]], 앙페르-맥스웰 회로 법칙으로 이루어져 있다. <ref>{{cite book서적 인용
|title = 고교 수학으로 배우는 맥스웰의 방정식
|publisher = 도서출판 홍
46번째 줄:
|ISBN = 89-5517-125-0
|page = 125}}</ref>
이는 원래 열 개가 넘었던 맥스웰 방정식들을 제자들이 4개로 정리한 것이다.
 
1. [[가우스 법칙]]:
<math>\nabla \cdot \mathbf{D} = \rho_{f} </math>
<br>
<math>\oint_S \mathbf{D} \cdot d\mathbf{A} = \int_V \rho \cdot dV</math>
 
2. [[가우스 자기 법칙]]:
<math>\nabla \cdot \mathbf{B} = 0</math>
<math>\oint_S \mathbf{B} \cdot d\mathbf{A} = 0</math>
 
3. [[패러데이 전자기 유도 법칙]]:
<math>\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}</math>
<math>\oint_C \mathbf{E} \cdot d\mathbf{l} = - \ { d \over dt } \int_S \mathbf{B} \cdot d\mathbf{A}</math>
 
4. [[앙페르 회로 법칙|앙페르-맥스웰 회로 법칙]]:
73번째 줄:
 
! 이름
! "미시적" 형태
! "거시적" 형태
|-
! 전기장에 대한 가우스 법칙
| <math>\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac {\rho} {\varepsilon_0}</math>
| <math>\nabla \cdot \mathbf{D} = \rho_f</math>
|-
! 자기장에 대한 가우스 법칙
108번째 줄:
=== 아인슈타인의 특수 상대성 이론 ===
 
[[맥스웰 방정식]]은 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리를 만족하지 않았고 이는 물리학의 난제였다. 이 모순을 해결하기 위해 노력하던 중, 1905년 [[아인슈타인]]은 맥스웰의 전자기학 이론과 [[에테르]]에 대한 증거 부족에 동기부여를 받아 [[특수 상대성 이론]]을 정립했다. 특수상대성 이론은 불명확했던 전자기 이론들을 명확하게 하였다.
 
[[아인슈타인]]의 [[특수상대성이론]]은 빛의 속력 불변의 원리<ref name=special1>{{Cite서적 book인용
|title=Einstein from ‘B’ to ‘Z’
|url=http://books.google.co.kr/books?id=OAsQ_hFjhrAC&pg=PA226&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
|author=John Stachel
|publisher=BIRKHAUSER
}} </ref>를 바탕으로 상대방에 대해 등속으로 움직이는 두 개의 기준틀에서 고전 전자기법칙이 변하지 않고 유지되는 새로운 [[시공간]] 개념을 제시한다. 모든 [[관성좌표계]]에서 빛의 속력이 일정하다고 가정하면, 서로 다른 속도를 가진 관성좌표계에서 자연법칙은 동일한 형태로 기술될 수 있다. 일반적으로 기본 상수 c 는 시공간 내에서 동일한 값을 가진다고 가정하고 있고 이것은 그것들은 위치나 시간에 비의존적임을 의미한다. 그러나 많은 이론에서 시간에 따라서 빛의 속력이 달라질 수 있다고 주장하고 있다. 아직 빛의 속력이 변한다는 결정적인 증거는 발견되지 않았지만 계속해서 연구가 진행 중이다. 일반적으로 빛의 속력은 등방성이라 가정한다. 이것은 빛의 속력을 [[측정]]하는 방향에 영향을 받지 않고 동일한 값을 갖는 것을 의미한다.<ref>{{Cite journal저널 인용
|title = "‘c’ is the speed of light, isn’t it?"
|year = 2005
121번째 줄:
|publisher =American journal of physics}} </ref>
 
특수상대성 이론은 두 개의 가정에 기초한다. 첫 번째로 물리학의 법칙은 모든 [[관성좌표계]]에서 일정하게 적용된다는 것이다. <ref>{{Cite서적 book인용
|title = Introducing Einstein’s Relativity
|publisher = Oxford University Press
129번째 줄:
|ISBN = 0-19-859686-3
}}</ref>
<ref>{{Cite서적 book인용
|title = The Special Theory to Relativity
|author = Sriranjan
|year = 2004
|url = http://books.google.co.kr/books?id=FsRfMvyudlAC&pg=PA20&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
|publisher = PHI Learning
|page = 20}}</ref>.
두 번째 가정은 빛의 속력의 불변의 원리이다. 빛의 속력은 [[관성좌표계]]와 파원의 움직임과 관계없이 모든 관성좌표계에서 동일한 값(c = 2.99792458*10^8m/s)을 갖는다.
이 두 개의 가정을 바탕으로 하여 [[특수 상대성 이론]]은 반직관적이고 실험적으로 확인되는 예측을 가진다. <ref>{{Cite서적 book인용
|title = What is the experimental basis of Special Relativity?
|url = http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/experiments.html
145번째 줄:
이는 시간지연과 길이수축을 포함한다. 시간 지연이란 움직임을 가지는 기준계에서의 시계는 시계에 대해 정지하고 있는 관찰자가 측정한 시간은 [[고유 시간]]보다 천천히 간다는 것이다. 길이 역시 기준계에 대해 다르게 측정된다. 길이 수축이라는 것은 움직이는 기준계의 관찰자가 측정한 물체의 길이는 고유길이보다 짧다는 것이다. 고유길이란 [[고유 시간]]과 같이 그 물체에 대해 정지해 있는 관찰자가 측정한 길이를 말한다.
 
[[로렌츠]] 상수라고 알려진 길이수축과 시간 지연 앞에 붙는 상수 γ의 식은 γ = (1 − v2/c2)^1/2 으로 주어진다. 여기서 v는 물체의 속도를 말한다. 1과 γ 의 차이는 일반적으로 무시할 수 있는데, 왜냐 하면 대부분의 물체는 빛보다 훨씬 느리기 때문이다. 하지만 이것은 상대론적 속도에서 증가되고 v가 빛의 속력에 가까워지면, [[무한]]대로 발산하게 된다.
 
빛의 속력에는 일방속력(one –way speed)과 쌍방속력(two-way speed)이 존재한다.
One-way speed of light의 예로는 빛이 광원에서 먼 관측자로 이동하는 경우의 속력이 있다. Two-way speed of light의 예로는 빛이 광원에서 나가서 거울에 반사되어 다시 돌아오는 경우의 속력이 있다. 실험적으로는 two- way speed of light만이 측정가능하다. 하지만, 시계가 광원과 관측자의 위치에서 동기화된다는 가정이 없다면 one- way speed of light는 측정 불가능하다. 그러나 아인슈타인의 시계의 동기화의 개념을 채택하면, 빛의 one- way speed of light 는 빛의 two-way speed of light와 정의에 의해 같아진다. <ref name=special2>{{Cite서적 book인용
|title=A broader view of relativity
|url=http://books.google.co.kr/books?id=amLqckyrvUwC&pg=PA428&redir_esc=y#
|author=Jong-Ping Hsu, Leonardo Hsu
|publisher=World Scientific Publishing Co.
|year = 2006
|page =427-8
}} </ref>
<ref name=special3>{{Cite서적 book인용
|title=Special Relativity And Its Experimental Foundation
|url= http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/3180
166번째 줄:
 
== 측정 방법과 역사 ==
현대 초기까지도 빛이 무한한 속도로 즉시 이동하는지, 굉장히 빠른 유한한 속도로 이동하는지 알려지지 않았다. 이 문제에 관한 최초의 기록은 고대 그리스에서 발견되었고, 고대 그리스인들 중 무슬림 학자들과 유럽의 고전 과학자들은 [[뢰머]]가 최초로 빛의 속력을 계산하기 전까지 오랫동안 토론을 했다. 아인슈타인의 [[상대성 이론]]에서는 빛의 속력이 일정하다고 말한다. 이때부터, 과학자들은 정확한 계산들을 제공하고 있다.
 
=== 고대부터 중세까지 ===
[[엠페도클레스]]는 빛이 유한한 속도를 가진다고 주장한 첫 번째 사람이다. 그는 빛이 움직이고, 따라서 이동하는 데 약간의 시간이 필요하다고 주장했다. [[아리스토텔레스]]는 반대로 빛이 움직임이 아닌 어떤 것의 존재 때문이라고 말했다. [[에우클레이데스]]와 [[프톨레마이오스]]는 빛이 눈으로부터 나와서 볼 수 있다는 emission theory of vision을 발전시켰다. 이 이론에 기초하여 알렉산드리아의 헤론은 별과 같이 떨어진 물체들을 눈을 뜨자마자 바로 볼 수 있기 때문에 빛의 속력이 무한하다고 주장했다.
 
초기 이슬람 철학자들은 처음에는 빛은 이동하는 시간이 없다는 아리스토텔레스적 의견에 동의했다. 1021년에, [[이븐 알하이삼]]은 [[이븐 알하이삼#광학의 서|《광학의 서》]]를 출판하였고, 그 책에서 그는 현재 인정되고 있는, 빛이 물체에서 눈으로 들어온다는 intromission theory of vision을 받아들였고, emission theory를 반박하였다. 알하젠은 빛의 속력이 반드시 유한하여야 하며, 이는 밀도가 높은 물체에서 감소하는 등 달라질 수 있다고 주장했다. 그는 또한 우리의 감각으로 알 수는 없어도 빛은 전달에 시간이 걸리는 실질적인 물질이라고 주장했다. [[11세기]]에는 Abū Rayhān al-Bīrūnī가 빛이 유한한 속도를 가지고 있다고 동의하였고, 소리의 속력보다 빛의 속력이 더 빠르다는 것을 관찰했다. [[13세기]]에는 [[로저 베이컨]]이 이븐 알하이삼과 아리스토텔레스의 저서로부터 철학적 논거를 사용하여 공기 중의 빛의 속력이 유한하지 않다고 말했다. [[1279년]]에는 위텔로가 진공상태에서 빛의 이동이 유한한 속도를 가지고 있다는 가능성을 고려했다. 그리고 [[밀도]]가 높은 물체에서는 속력이 감소한다고 했다.
179번째 줄:
=== 뢰머의 빛의 속력 측정 ===
{{본문|뢰머의 빛의 속도 측정}}
[[파일:Illustration from 1676 article on Ole Rømer's measurement of the speed of light.jpg|thumb|뢰머의 광속도 측정]]1676년 [[올레 뢰머]]는 첫 번째로 빛의 속도를 정성적인 측정값으로 구했다. 뢰머는 덴마크 천문학자로서 천문학적 방법을 사용해서 빛의 속도를 측정하였다. 그는 목성의 위성 중 ‘[[이오]]’가 식(목성의 그림자에 의해 가려지는 현상)이 발생할 때, 지구가 공전궤도에서 가까이 있을 때가 멀리 있을 때보다 22분 빨리 나타난다는 것을 관측했다. 지구에서 봤을 때, 이오의 식은 두 가지 방법으로 관측이 가능한데, 이오가 보이다가 안 보일 때, 이오가 목성의 그림자 안으로 들어갈 때가 immersion, 이오가 안 보이다가 보일 때, 이오가 목성의 그림자에서 나올 때가 emergence인데, 지구에서는 목성이 가로막기 때문에 동일한 식의 immersion과 emergence를 동시에 볼 수 없다. [[충]]의 위치에서는 둘 중 어느 것도 보지 못 한다. 목성이 충의 위치에 있을 때부터 4달이 지난 후(L부터 K까지)부터는 이오의 emergence를 볼 수 있고, 충의 위치에서 4달 전(F부터 G까지)는 이오의 immersion을 볼 수 있다. 이 시기가 아닌 5~6달은 식을 관찰할 수 없는데, 지구와 목성이 적절한 위치에 있더라도 지구의 어떤 지역에서는 이오의 식을 볼 수 없다. 이를 통해 그는 빛이 유한한 속도로 이동한다고 결론내릴 수 있었고, 빛이 지구 궤도의 지름을 가로지르는 데 22분(실제로는 16분 36초)이 걸린다는 것을 측정했다. 뢰머는 규모의 비교 증명(빛의 속력이 ‘지구 지름/1초’보다 훨씬 크다고 결론)과 누적 효과(빛의 유한한 속도의 영향이 많은 관측들을 통해 늘어날 것; 프랑스 과학 아카데미에서 발표) 등을 이용해서 이것이 빛이 지구에 오는 동안 지구가 공전하여 생기는 거리(지구가 목성과 가까워 질 때의 거리와 멀어질 때의 거리 차이)의 차이 때문이라고 예측하고 여러 번의 시행착오와 관측 결과를 이용하여 빛의 속력을 약 212,000 km/s으로 측정하였다. 뢰머는 자신의 방법을 공식적으로 서술한 적이 없지만, 그의 계산은 ‘지식인의 잡지’의 뉴스보도와 1676년 8월 22일 카시니의 발표로 알 수 있다. 이 값은 오늘날의 측정값인 2.997925*10^8m/s와 비교하였을 때 오차(약 26%)가 상당하지만, 최초로 빛의 속력을 정밀하게 측정했다는 것에 큰 의의를 가진다.
뢰머가 쓴 논문들은 1728년 코펜하겐에서 불이 났을 때 대부분 없어졌지만, 1668년부터 1768년까지 발생한 60번의 이오 식의 관측결과를 담고 있는 한 개의 논문은 불타지 않았다. 뢰머는 1677년 9월 30일에 1671년부터 1673년의 관측 자료가 그의 계산의 기초를 만들었다고 하위헌스에게 편지를 썼다. 하위헌스의 Opticks(1704) 책을 보면 [[아이작 뉴턴]]이 뢰머의 빛의 속력 계산값을 기록했고, 태양으로부터 지구까지 빛이 이동하는 데 “7~8분”이 걸린다고 했다. 뉴턴은 뢰머의 식 현상의 그림자가 색을 띤다는 것에 대해 의문을 가졌고, 다른 색의 빛이 같은 속도로 이동한다고 결론지었다.
{| class="wikitable" style="text-align:center"; border="1"
|+ 1676년 뢰머의 이오의 식 관측 결과
<br />
<span style="font-weight:500; font-size:80%; line-height:80%;">
190번째 줄:
| 5 || 13 || 2:49:42 || '''C''' || colspan="2" |
|-
| colspan="3"| <small>2,750,789 s</small> || || 18 || colspan="2" | 42.45
|-
| 6 || 13 || 22:56:11 || '''C''' || colspan="2" |
|-
| colspan="3" | <small>4,747,719 s</small> || || 31 || colspan="2" | 42.54
|-
| 8 || 7 || 21:44:50 || '''D''' || colspan="2" |
|-
| colspan="3" | <small>612,065 s</small> || || 4 || colspan="2" | 42.50
|-
| 8 || 14 || 23:45:55 || '''D''' || colspan="2" |
|-
| colspan="3" | <small>764,718 s</small> || || 5 || 42.48
|-
| 8 || 23 || 20:11:13 || '''D''' || colspan="2"|
|-
| colspan="3" | <small>6,906,272 s</small> || || 45 || 42.63
|-
| 11 || 9 || 17:35:45 || '''D''' || colspan="2"|
218번째 줄:
<br />
<math> s=vt-\frac{1}{2}at^2</math>, <math> t=\frac{2v\sin\theta}{a}</math><br />
 
라는 식을 얻을 수 있다. 이를 이용한 방법이 바로 비행 시간 측정방법-에 기초한 빛의 속력 측정 방법을 개발하였으며 약 315,000km/s로 보고하였다.
이때 시행된 실험을 피조의 실험이라고 부르며, 1851년에 움직이는 물에 대한 상대적 빛의 속도를 측정하는 실험이었다. 피조는 매질의 이동 효과를 측정하기 위한 특별한 [[간섭계]]의 배열을 사용했다. <ref name=fiz1>{{Cite저널 journal인용
|author=Fizeau, H.|title=Sur les hypothèses relatives à l’éther lumineux |journal=Comptes Rendus
|volume=33|year=1851|pages=349–355|url=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k29901/f351.chemindefer}}</ref> <ref name=fiz2>{{Cite저널 journal인용|author=Fizeau, H.|title=Sur les hypothèses relatives à l’éther lumineux
|journal=Ann. de Chim. et de Phys.|volume=57|year=1859|pages=385–404 |url=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k347981/f381.table}}</ref>
 
234번째 줄:
[[파일:Fizeau.JPG|섬네일|300px||피조 장치. 빛은 톱니를 지나 뒤쪽 거울에 반사되어 다른 톱니를 지나 관측된다]]
 
피조-푸코 장치(1850) (Figure 1)는 빛의 속도를 측정하기 위해 프랑스 물리학자 이폴리트 피조와 [[레옹 푸코]]가 구상한 것이다. 이 장치는 빛이 회전하는 거울에 반사되어 20[[마일]](35 킬로미터) 뒤에 있는 정지되어 있는 거울을 향하게 만들어 놓았다. 정지거울에 반사되어오는 시간이 지남에 따라 회전거울이 약간씩 움직이면서 빛이 원래의 방향에서 미세한 각도 차로 빗나가게 된다. <ref name=Baierlenin>{{Cite book 서적 인용
|title=Newton to Einstein: the trail of light : an excursion to the wave-particle duality and the special theory of relativity
|author=Ralph Baierlein
|page=44; Figure 2.6 and discussion
|url=http://books.google.com/books?id=wrmZrcE0fPMC&pg=PA44
|isbn=0-521-42323-6
|year=2001
|publisher=Cambridge University Press }}</ref> 만약 거울 사이의 거리를 <math>h</math>라 하면, 정지거울에 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간은 <math>\frac{2h}{c}</math> 이다. 회전거울이 조절가능한 회전속도
<math>\frac{d\theta}{dt} </math>로 움직인다면 그 각도는
252번째 줄:
탐지기는 빛의 근원으로부터 <math>2\theta</math> 만큼인 각도에 위치하는데 그 이유는 법선을 기준으로 회전거울이 <math>\theta</math> 만큼 회전하고, 빛의 입사각과 그 반사각으로 인해 <math>\theta</math> 만큼 줄어들기 때문이다.
 
푸코는 피조의 두 정지거울로 된 실험을 토대로 이 장치를 구상하였다. <ref name=Al-Azzawi>{{Cite book서적 인용
|title=Photonics: principles and practices
|author=Abdul Al-Azzawi
|url=http://books.google.com/books?id=H3dtlDZrfwkC&pg=PA9
|page=9 |isbn=0-8493-8290-4 |year=2006 |publisher=CRC Press}}</ref>이 때 피조의 빛의 속도 값은 5% 정도 더 높았다고 한다. 물 속에서 빛의 속도를 측정한 피조의 실험에서 빛이 공기에서보다 물 속에서 더 느리다는 결과가 나오자 그의 업적은 [[아이작 뉴턴]]의 입자설을 완전히 망쳐놓게 되었다.<ref name=newtonparticle>{{Cite book서적 인용
| title = Understanding Physics
| author = David Cassidy, Gerald Holton, James Rutherford
| publisher = Birkhäuser | year = 2002 | isbn = 0-387-98756-8
| url = http://books.google.com/books?id=rpQo7f9F1xUC&pg=PA382&dq=Foucault+speed-of-light+wave+theory}}</ref>
 
뉴턴은 [[굴절]]을 중간 매개체 빛을 당기는 것이라 예상하였고, 그 매개체에서 빛의 속도가 상승할거라 생각했었다. 하지만, 피조는 간단하게 빛의 경로를 물 속으로 쏘아주면서 공기에서보다 물 속에서 빛의 속도가 더 느리다는 것을 보여줬다. <ref name=Walker>{{Cite book서적 인용
|title=Optical Engineering Fundamentals
|url=http://books.google.com/books?id=Ccx9OM7iph8C&pg=PA13
|page=13 |author=Bruce H Walker |isbn=0-8194-2764-0
|publisher=SPIE Press |year=1998}}</ref>
 
 
1856년, 빌헬름 베버와 루돌프 콜라우시는 레이덴 병을 방전하면서 [[전자기]]와 정전기적 전하의 단위의 비<math>(\sqrt{\epsilon_0\mu_0})</math>를 구하였다. 그리고는 그것이 피조가 측정한 빛의 속도와 매우 비슷하다는 것을 깨달았다. 이듬해, [[구스타프 키르히호프]]는 [[저항]]이 없는 전선을 타고 흐르는 전기신호의 속도를 측정하였다. <ref name=graneau>{{Cite저널 journal인용
|title= Kirchhoff on the motion of electricity in conductors
|journal= Apeiron
|volume=19
|year=1994
281번째 줄:
[[파일:Michelson-Morley experiment (en).svg|thumb|left|350px|비록 이 실험장치는 레이저를 사용하고 있으나 마이컬슨의 초창기 간섭계와 원리는 동일하다]]
 
[[앨버트 마이컬슨]]과 [[에드워드 몰리]](Edward Morley)는 1887년, 현재의 [[케이스 웨스턴 리저브 대학교]](Case Western Reserve University)에서 [[물리학]]의 역사상 가장 중요한 실험 중 하나인 '''마이컬슨-몰리 실험'''을 하였다. 이 실험의 결과는 [[에테르 (물리)|광학적 에테르 이론]]을 부정하는 최초의 유력한 증거가 되었다. 이 실험은 또한 두 번째 과학 혁명의 이론적 관점의 시발점이라고 불리기도 한다<ref name = michelson1>{{cite서적 book인용
|title =Cradle of Greatness: National and World Achievements of Ohio’s Western Reserve
|author=Earl R. Hoover
289번째 줄:
==== 실험 ====
마이컬슨은 에테르 바람을 측정할 수 있을 정도로 정교한 실험장치를 제작하였다. 추후 [[간섭계]](interferometer)라고 알려진 그의 장치는 백색광의 단일 광원을 반투명 거울(half-silvered mirror)을 통해 직각으로 나누어 두 개의 광선으로 만든다. 이 나눔계(splitter)를 지나고 나면, 광선은 길게 뻗은 팔(arm)을 지나 그 끝에 장착된 거울을 통해 다시 중간지점으로 반사되어 온다. 중간으로 반사된 파는 나눔계(splitter)를 통해 다시 결합이 되어 빛이 각 팔(arm)에서 이동한 시간차에 따라 보강 또는 상쇄 간섭 무늬가 일어난다. 미세한 시간차에 의해서도 간섭무늬의 주름(interference fringe)의 위치가 변화한다. 만약 에테르가 태양에 상대적으로 정지해 있다면, 지구의 운동은 간섭무늬 주름 한 개의 1/25배 크기만큼의 간섭무늬의 변화를 일으킬 것이다.
 
1881년 마이컬슨이 독일에서 상기 실험 장치를 이용하여 간섭무늬의 변화 값을 측정하였지만, 간섭무늬의 변화가 기대 값인 0.04값(간섭무늬 한 개의 0.04크기되는 만큼의 변화) 보다 작은 0.02 값을 얻었다. <ref name = michelson2>{{Cite저널 journal인용
|title= The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether
|author=Michelson, Albert Abraham,
|journal= American Journal of Science
297번째 줄:
|year=1881
|pages=120-129}}</ref>
그러나 그의 초창기 실험장치는 에테르 바람의 존재에 대해 확신을 갖고 말하기에는 실험적 오차가 너무 컸다. 에테르 바람을 측정하기 위해서는 보다 정확하고 정교하게 통제된 실험이 필요하였다.
 
[[파일:Michelsonmorley-boxplot.svg|thumb|350px|마이컬슨-몰리 실험의 데이터]]
 
그 후 그는 에드워드 몰리와 합작하여, 에테르 바람에 의한 간섭무늬의 변화를 측정할 수 있을 정도로 정교한 실험장치를 제작하였다<ref name= michelson3>{{cite저널 journal인용
|title=On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether|On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether
|author= Michelson, Albert Abraham & Morley, Edward Williams
319번째 줄:
==== 로렌츠와 아인슈타인 ====
[[파일:Einstein en Lorentz.jpg|thumb|아인슈타인(왼쪽)과 로렌츠(오른쪽)]]
측정된 운동 값은 항상 관찰된 오차보다 항상 작았다. 근대 실험들은 두 방향의 빛의 속도는 6nm/s 안으로는 등방하다는 것을 가리키고 있다.<ref name=french>{{cite서적 book인용
|title = Special relativity| page=51-57 | author= French, AP
|isbn= 0-442-30782-9| publisher= Van Nostrand Reinhold | year=1983}} </ref>
이 실험 때문에, [[헨드릭 로렌츠]]는 [[에테르]]를 통하는 어떤 기구의 운동이 그 기구로 하여금 운동방향으로 그 길이가 축소하게 만든다 생각하였고, 더 나아가 그는 운동하는 계의 시간 변수 또한 그에 의해 바뀌어야 된다고 예상했다. 이는 [[로렌츠 변환]]의 첫 걸음이었다.
 
[[로렌츠]]의 에테르 이론을 바탕으로, 헨리 포니케어는 이 공간의 시간은 일정한 광속이라는 가정하에 동시성을 가지는 에테르안에서 움직이고 있는 시계에 의해 보여지고 있다고 말했다. 1904년, 그는 로렌츠의 이론이 모두 옳다는 가정하에 빛의 속도가 역학적인 최고의 속도가 아닐까 생각했다. 그 후 1905년, 포니케어는 로렌츠의 에테르이론을 상대성 원리를 이용하여 관측적인 이론(영: full observational agreement)으로 만들었다. <ref name=lorentz1>{{cite서적 book인용
|title=Electrodynamics from Ampére to Einstein
|author=Darrigol, O.| isbn= 0-19-850594| publisher= Clarendon Press|year=2000}}</ref> <ref name=lorentz2>{{cite서적 book인용
|title=Einstein's Clocks, Poincaré's Maps: Empires of Time
|author= Galison, P. |isbn= 0-393-32604-7| publisher= W.W. Norton}}</ref>
 
1905년, [[아인슈타인]]은 [[진공]]에서의 빛의 속도는 관찰자의 운동상태와 무관하다고 간주하였다. 이것과 [[상대성 원리]]를 바탕으로 그는 [[특수 상대성 이론]]을 이끌어내었다. 특수 상대성이론에서는 진공에서의 빛의 속도 c는 기본적인 상수로 간주되며, 빛과 무관하게 나온다. 이 특수 상대성이론에 의해 에테르이론의 개념들은 쓸모없게 되었고 [[시공간]]적인 개념이 혁명을 이루게 되었다. <ref name=einstein1>{{cite서적 book인용
|title=Albert Einstein's special theory of relativity. Emergence (1905) and early interpretation (1905–1911) | author = Miller, AI|isbn= 0-201-04679-2|publisher=Addison–Wesley|year = 1981}}</ref> <ref name=einstein2>{{cite서적 book인용
|title= Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein
|author=Pars, A.| isbn= 0-19-520438-7| pubilsher=Oxford University Press|year =1982}}</ref>
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==== 빛의 속도와 미터 ====
20세기 중반부터 말까지 빛의 속도를 점점 더 정확하게 측정하는 실험들이 생겨났다. 1972년, 레이저의 간섭을 이용한 기술로 빛을 측정하는 방법과 1960년 당시의 [[미터]]의 정의를 이용하여 콜로라도에 있는 NBS에 속한 한 단체가 진공에서의 빛의 속도는 c=299,792,456.2±1.1 m/s라고 결정하였다. 이 측정값은 이전에 널리 사용되던 값보다 백배 정도 불확실한 값이었다. 이 불확실성은 미터에 대한 정의 때문이었다. 다른 비슷한 실험들에서 c의 값이 계속 비교되자, 1975년, 제 15회 Conférence Générale des Poids et Mesures(CGPM)에서 빛의 속도를 299,792,458 m/s라고 지정하였다<ref name=meter1>{{cite서적 book인용
|title= Resolution 2 of the 15th CGPM
|url=http://www.bipm.org/en/CGPM/db/15/2/
|publisher=BIPM|year=1975, Retrieved 2009-09-09}}</ref>
 
1983년에 개최된 17회 CGPM에서 미터를 빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 움직인 거리라고 재정의하였다. 이 정의로 인해서, 진공에서의 빛의 속도는 정확히 299,792,458m/s <ref name=nowmeter1>{{cite서적 book인용
|title=Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity(2nd ed)
|url= http://books.google.com/?id=PDA8YcvMc_QC&pg=PA59#v=onepage&q=
|author=Taylor, EF; Wheeler, JA |isbn= 0-7167-2327-1 |publisher=Macmillan |year=1992}}</ref>
가 되었고, 이것이 현재의 SI 단위가 되었다. 향상된 실험적인 기술들은 더 이상 SI 단위로 지정된 빛의 속도에 영향을 주지 못했지만, 대신해서 더욱 정밀한 미터의 정의를 세울 수 있게 해주었다. <ref name=nowmeter2>{{cite서적 book인용
|title=Relativity: Special, General, and Cosmological
|url=http://books.google.com/?id=MuuaG5HXOGEC&pg=PT41
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== 빛의 굴절과 빛의 속도 ==
 
빛은 입자나 파동 두 가지 모두로 생각할 수 있지만, 광학에서는 파동으로 취급한다. 파동은 다른 매질을 통과할 때 다른 속도로 진행하며, 이에 따라 매질의 경계 면에서 파동의 경로가 꺾이게 된다. 이 현상을 [[굴절]](refraction)이라고 한다. 단, 굴절이 일어날 때 파동의 진동수는 일정하게 유지되며 파장이 변화함으로써 속도가 변화한다.
 
 
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여기서 ''c''는 진공에서의 빛의 속도이며, 299,792,458m/s 라는 값을 갖는다. ''v''는 매질 속에서의 빛의 속도를 의미한다. 빛의 속도는 진공에서 가장 빠르기 때문에 ''n''은 항상 1보다 큰 숫자라는 것을 알 수 있다. 이 식으로부터 굴절률이 클수록 매질에서의 속도는 작으며, 굴절률이 작을수록 매질에서의 속도는 커진다는 것을 알 수 있다.
 
한 편, 광속과 파장의 관계로부터, <math>\lambda = \frac{v}{f}</math> (''λ'' 는 빛의 파장, ''f'' 는 빛의 진동수)이고, 굴절이 일어날 때 빛의 진동수는 일정하게 유지되므로, 파장이 길수록 굴절률은 작아지고 파장이 짧을수록 굴절률이 커진다는 것을 알 수 있다.
 
<math> n \propto</math> <math> \frac{1}{\lambda} </math>
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=== 스넬의 법칙 ===
 
 
[[파일:Snells law2.svg|220px|right|thumb|공기(n1)에서 물(n2)로 진행하는 빛의 굴절]]
 
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==== 절대 굴절률 ====
 
절대 굴절률은 진공에서의 굴절률에 대한 매질에서의 굴절률이다. 진공에서의 굴절률은 1이라 정의되며, 따라서 절대 굴절률은 매질 자체의 굴절률과 같다.
 
==== 상대 굴절률 ====
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[[파일:Light dispersion conceptual waves.gif|섬네일|파장에 따른 빛의 굴절. 프리즘을 통과한 백색광이 프리즘의 경계면에서 두 번 굴절하게 되어 무지개의 띠가 나타난다. 빨간색 계통의 빛은 적게 굴절되고, 파란색 계통의 빛은 많이 굴절된다. 즉, 프리즘 내부에서는 빨간색 계통의 빛이 파란색 계통의 빛보다 빨리 진행한다.]]
위의 두 식을 통해 파장이 긴 빛일수록 굴절률이 작으며, 매질에서의 속도가 빠르다는 것을 알 수 있다. 빨간색 빛의 굴절률을 <math>n_r</math>, 파란색 빛의 굴절률을 <math>n_b</math>라고 하자. 파장이 긴 빛일수록 굴절률이 작기 때문에, <math>n_b > n_r</math>이다. 따라서, 식 (1)에 의해 다음과 같은 수식이 성립한다.
 
:<math>{c \over v_b} > {c \over v_r}</math>
원본 주소 "https://ko.wikipedia.org/wiki/빛의_속력"