빛의 속력: 두 판 사이의 차이
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== 관련 이론 ==
=== 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.
|title = 고교 수학으로 배우는 맥스웰의 방정식
|publisher = 도서출판 홍
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[[아인슈타인]]의 [[특수상대성이론]]은 빛의 속력 불변의 원리<ref name=special1>{{서적 인용|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>{{저널 인용|title = "‘c’ is the speed of light, isn’t it?"|year = 2005|author = Ellis, GFR; Uzan, J-P|publisher =American journal of physics}} </ref>
특수상대성 이론은 두 개의 가정에 기초한다. 첫 번째로 물리학의 법칙은 모든 [[관성좌표계]]에서 일정하게 적용된다는 것이다.
두 번째 가정은 빛의 속력의 불변의 원리이다. 빛의 속력은 [[관성좌표계]]와 파원의 움직임과 관계없이 모든 관성좌표계에서 동일한 값(c = <math>2.99792458*10^8</math> m/s)을 갖는다. 이 두 개의 가정을 바탕으로 하여 [[특수 상대성 이론]]은 반직관적이고 실험적으로 확인되는 예측을 가진다.
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.
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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.
== 측정 방법과 역사 ==
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<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 315 000 km/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.
[[파일:피조실험모형.png|섬네일|center|700px|피조의 실험기구(1851)]]
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[[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.
:<math> \theta = \frac{d\theta}{dt} </math> <math> \frac{2h}{c}</math>
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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.
|title=Photonics: principles and practices
|author=Abdul Al-Azzawi
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|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>{{서적 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.
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.
=== 마이컬슨 몰리 실험 ===
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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.
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.
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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.
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.
==== 움직이는 광원에서 방출되는 빛의 속도 측정 제안 ====
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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>{{서적 인용|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
== 빛의 굴절과 빛의 속도 ==
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# 측정 방법과 역사<ref>http://csep10.phys.utk.edu/guidry/violence/lightspeed.html</ref>
# 측정 방법과 역사<ref>http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SpeedOfLight/measure_c.html</ref>
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# 측정 방법과 역사<ref>존 그리빈, 《사람이 알아야 할 모든 것, 과학》, 들녘, 2010</ref>
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