1800년대 후반에 대부분의 과학자들은 빛이 에테르라고 하는 운반 매체를 사용하여 공간을 통해 전파된다고 여전히 믿었습니다. 마이컬슨은 1887년에 과학자 에드워드 몰리와 힘을 합쳐, 지구가 태양 주위를 공전할 때 빛의 속도가 상대적으로 변화하는 것을 관찰하여 에테르를 감지하는 실험적 방법을 고안했습니다. 그들은 이 목표를 달성하기 위해 복잡한 거울 배열을 사용하여 길이가 각각 10미터가 넘는 두 개의 다른 경로를 통해 광선을 분할하고 개별 광선을 다시 유도하는 간섭계를 설계했습니다. 마이컬슨과 몰리는 지구가 에테르 매체를 통해 이동한다면 에테르의 흐름의 수직 방향에서 앞뒤로 반사되는 광선이 에테르에 평행하게 반사되는 광선보다 더 멀리 이동해야 한다고 추론했습니다. 그렇다면 여러 광선이 간섭을 통해 재결합될 때 감지할 수 있는 광선 중 하나에 지연이 발생하게 됩니다.

마이컬슨과 몰리가 만든 실험 장치는 거대했습니다(그림 5 참조). 천천히 회전하는 5피트 이상 넓이, 14인치 두께 정사각형 석판에 장착된 이 기기는 지구의 진동을 배제하기 위해 마찰이 없는 완충 장치 역할을 하는 수은 웅덩이로 받쳐 단단히 보호되었습니다. 일단 슬래브가 움직이기 시작하면, 시간당 10회전의 최고 속도를 달성한 후 다시 정지하는 데 몇 시간이 걸렸습니다. 빔 스플리터를 통과하여 거울 시스템으로 반사된 빛에 간섭 무늬가 있는지 현미경으로 검사했지만 전혀 보이지 않았습니다. 그러나 마이컬슨은 간섭계를 사용하여 빛의 속도를 초속 186,320마일(초당 299,853km)로 정확하게 측정했으며, 이는 향후 25년 동안의 표준 값이 되었습니다. 빛의 속도 변화를 감지하지 못했던 마이컬슨-몰리 실험은 알베르트 아인슈타인의 이론으로 20세기 초에 마침내 사그라들 에테르 논쟁 종식의 신호탄을 쏘아 올렸습니다.

아인슈타인의 특수 상대성이론과 빛의 속도

아인슈타인은 1905년에 특수 상대성 이론을 발표하고 1915년에 일반 상대성 이론을 발표했습니다. 첫 번째 이론은 서로에 대해 일정한 속도로 물체가 움직이는 것과 관련된 반면, 두 번째 이론은 가속도와 중력과의 연결에 중점을 둡니다. 아인슈타인의 이론은 아이작 뉴턴의 운동 법칙과 같은 오랜 가설에 도전했기 때문에 물리학에 있어 혁명 세력이었습니다. 상대성 이론은 물체의 속도가 관찰자의 위치에 대해서만 결정될 수 있다는 개념을 구현합니다. 예를 들어, 여객기 내부를 걷고 있는 남자는 항공기의 기준틀(시속 600마일로 움직이고 있음)에서 시속 약 1마일로 이동하는 것처럼 보입니다. 그러나 지상의 관찰자에게 그 남자는 시속 601마일로 움직이는 것처럼 보입니다.

아인슈타인은 두 기준틀 사이를 이동하는 빛의 속도가 두 위치의 관찰자에게 동일하게 유지된다고 계산을 통해 가정했습니다. 한 기준틀에 있는 관찰자는 빛을 이용하여 다른 기준틀에 있는 물체의 위치와 속도를 판단하기 때문에, 빛은 관찰자가 물체의 위치와 속도를 관련 지을 수 있는 방식을 변경합니다. 아인슈타인은 이 개념을 사용하여 한 기준틀에 있는 물체가 첫 번째 기준틀과 균일하게 움직이는 다른 기준틀에서 볼 때 어떻게 나타나는지를 설명하는 몇 가지 중요한 공식을 도출했습니다. 그의 결과는 물체의 상대 속도가 빛의 속도에 근접할 때만 효과가 눈에 띄게 되지만 몇 가지 특이한 결론을 이끌어 냈습니다. 아인슈타인의 기본 이론과 자주 언급되는 상대성 방정식인

는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

• 물체의 속도가 증가함에 따라 물체의 길이는 관찰자에 비해 감소합니다.

• 기준틀이 이동할 때는 시간 간격이 짧아집니다. 다시 말해, 빛의 속도나 그와 비슷하게 이동하는 우주 여행자는 몇 년 동안 지구를 떠났다가 불과 몇 개월의 시간 경과를 경험하고 돌아올 수 있습니다.

• 움직이는 물체의 질량은 속도에 따라 증가하고 속도가 빛의 속도에 가까워질수록 질량은 무한에 가까워집니다. 이러한 이유로 무한한 질량을 가속하려면 무한한 에너지가 필요하기 때문에 빛의 속도보다 빠른 이동은 불가능하다고 널리 알려져 있습니다.

아인슈타인의 이론은 물리학계 전체에 영향을 미쳤지만 빛을 연구하던 과학자들에게 특히 중요한 의미가 있었습니다. 이 이론은 마이컬슨-몰리 실험이 예상한 결과를 도출하지 못한 이유를 설명하고, 운반 매체로서의 에테르의 성질에 대한 중대한 과학적 연구의 진척을 좌절 시켰습니다. 또한 진공에서 빛의 속도보다 빠른 것은 없으며 이 속도는 일정하고 변하지 않는 값이라는 사실을 보여주었습니다. 한편, 실험 과학자들은 빛의 속도에 대한 정확한 값을 목표로 삼고 측정 오류를 줄이기 위해 점점 더 정교한 도구를 계속해서 적용했습니다.

빛의 속도 측정치

표 1

날짜	연구자	방법	추정한 초당 킬로미터
1667	갈릴레오 갈릴레이	덮개를 씌운 랜턴	333.5
1676	올레 뢰머	목성의 위성	220,000
1726	제임스 브래들리	항성 광행차	301,000
1834	찰스 휘트스톤	회전 거울	402,336
1838	프랑수아 아라고	회전 거울
1849	아르망 피조	회전 바퀴	315,000
1862	레옹 푸코	회전 거울	298,000
1868	제임스 클러크 맥스웰	이론적 계산	284,000
1875	마리 알프레드 코르누	회전 거울	299,990
1879	알베르트 마이컬슨	회전 거울	299,910
1888	하인리히 루돌프 헤르츠	전자기 방사선	300,000
1889	에드워드 베넷 로자	전기 측정	300,000
1890년대	헨리 롤런드	분광학	301,800
1907	에드워드 베넷 로자와 노아 도시	전기 측정	299,788
1923	앙드레 메르시에	전기 측정	299,795
1926	알베르트 마이컬슨	회전 거울(간섭계)	299,798
1928	아우구스트 카롤루스와 오토 미텔슈테트	커 셀 셔터	299,778
1932~1935	마이컬슨과 피즈	회전 거울(간섭계)	299,774
1947	루이스 에센	공동공명기	299,792
1949	칼 I. 아슬락손	쇼랜 레이더	299,792.4
1951	키스 데이비 프룸	전파 간섭계	299,792.75
1973	케네스 M. 이벤슨	레이저	299,792.457
1978	피터 우즈와 동료들	레이저	299,792.4588

19세기 후반에는 라디오와 마이크로파 기술이 발전하여 빛의 속도를 측정하는 새로운 접근 방식이 되었습니다. 뢰머의 선구적인 천체 관측으로부터 200년 이상 지난 1888년, 독일 물리학자인 하인리히 루돌프 헤르츠는 전파의 속도를 측정했습니다. 헤르츠는 초당 300,000km에 가까운 값을 내며 전파와 빛이 모두 전자기 복사의 형태라는 제임스 클러크 맥스웰의 이론을 입증했습니다. 1940년대와 1950년대에는 영국 물리학자인 키스 데이비 프룸과 루이 에센이 전자기 복사의 속도를 보다 정확하게 측정하기 위해 라디오와 마이크로파를 각각 사용하여 또 다른 증거를 수집했습니다.

맥스웰은 측정이 아닌 수학적 추론을 통해 빛의 속도와 기타 형태의 전자기 복사를 정의한 것으로도 인정받고 있습니다. 그는 변화하는 전기장이 자기장을 생성한다는 사실을 전기와 자기 사이의 연관성을 찾는 연구 도중에 이론화 했는데, 이는 패러데이 법칙의 역 추론입니다. 맥스웰은 전자기파가 진동하는 전기파와 자기파의 결합으로 구성되어 있다고 제안했고, 공간을 통한 이러한 파동의 속도를 다음과 같이 계산했습니다.

속도(V) = 1/(ε • µ)^1/2

여기서 ε은 유전율이고 μ는 자유 공간의 투자율인데, 이는 상당히 정확하게 측정할 수 있는 두 가지 상수입니다. 결과는 측정된 빛의 속도에 매우 근접합니다.

1891년, 마이컬슨은 빛의 속도와 천문학에 대한 연구를 계속하면서 캘리포니아의 리크 천문대에서 굴절 망원경으로 대규모 간섭계를 만들었습니다. 그의 관찰은 별처럼 멀리 있는 물체를 볼 때 빛의 도착 시간이 지연되는 것을 기반으로 했으며, 이를 정량적으로 분석하면 천체의 크기와 빛의 속도를 모두 측정할 수 있습니다. 약 30년 후, 마이컬슨은 자신의 실험을 마운트 윌슨 천문대로 옮겨 당시 세계에서 가장 컸던 100인치 망원경에 동일한 기술을 적용했습니다.

마이컬슨은 8각형 회전 거울을 실험 설계에 포함하여 초당 299,845km의 빛의 속도 값에 도달했습니다. 마이컬슨은 실험이 완료되기 전에 사망했지만, 마운트 윌슨 천문대의 동료였던 프랜시스 G. 피즈는 연구를 수행하기 위해 1930년대까지 혁신적인 기술을 계속 도입했습니다. 피즈는 변형된 간섭계를 사용하여 몇 년에 걸쳐 수많은 측정을 수행했고 마침내 정확한 빛의 속도 값이 초당 299,774km임을 확인했는데, 이는 그 당시에 가장 근접했던 측정치입니다. 그로부터 몇 년 후인 1941년에 과학계는 빛의 속도에 대한 표준을 확립했습니다. 이 값은 초당 299,773km로, 그 당시의 가장 정확한 측정값 모음을 바탕으로 한 것입니다. 그림 6은 지난 200년간의 광속 측정값을 그래프로 나타낸 것입니다.

1960년대 후반에 접어들자 레이저는 매우 명확한 주파수와 파장을 갖춘 안정적인 연구 도구가 되었습니다. 1958년에 키스 데이비 프룸이 마이크로파로 진행한 실험의 접근 방식과 유사하게 주파수와 파장을 동시에 측정하면 매우 정확한 빛의 속도 값을 얻을 수 있다는 것이 곧바로 명백해 졌습니다. 미국 및 기타 국가의 여러 연구 단체는 아이오딘으로 안정화된 헬륨-네온 레이저에서 633나노미터 라인의 주파수를 측정하여 매우 정확한 결과를 얻었습니다. 1972년 미국 국립표준기술연구소는 레이저 기술을 사용하여 초당 299,792,458미터(186,282마일/초)의 속도를 측정했으며, 이는 궁극적으로 빛의 속도에 대한 매우 정확한 추정을 통해 미터를 재정의하는 결과를 가져왔습니다.

뢰머가 1676년에 행한 획기적인 시도를 시작으로 100명 이상의 연구자들이 다양한 기술을 사용하여 빛의 속도를 최소 163회 측정했습니다(표 1의 방법, 연구자 및 날짜 참조). 빛의 속도는 17세기에 뢰머가 했던 계산 이후로 크게 변하지 않았지만, 과학적 방법과 장치가 개선됨에 따라 추정치의 오류 한계가 좁아졌습니다. 최초의 본격적인 측정 시도 후 300여 년이 지난 1983년, 제17차 국제 도량형 총회에서 빛의 속도는 초당 299,792.458km로 정의되었습니다. 따라서 미터는 1/299,792,458초마다 빛이 이동한 거리로 정의됩니다. 그러나 일반적으로 (많은 과학적 계산에서 조차) 빛의 속도는 초당 300,000킬로미터(또는 186,000마일)로 반올림됩니다. 빛의 속도에 대한 표준 값으로의 도달은 전 세계의 과학자들이 데이터와 계산을 비교할 수 있도록 하는 국제 단위 시스템을 확립하는 데 중대한 기여를 했습니다.

빛의 속도가 빅뱅 이후로 느려지고 있다는 증거의 유무에 대해서 약간의 논란이 있습니다. 빅뱅 시기에는 일부 연구원들이 제안한 대로 빛이 훨씬 더 빠르게 이동했을 수 있습니다. 주장의 제시와 반박이 이 논쟁을 끊임없이 지속하고 있지만, 대부분의 과학자들은 여전히 ​​빛의 속도가 일정하다고 주장합니다. 물리학자들은 뢰머와 그의 후임자들이 측정한 실제 빛의 속도는 크게 변하지 않았음을 지적하며, 빛의 속도를 규정하는 데 사용된 측정의 정밀도 증가와 관련한 과학 장비의 꾸준한 개선을 대신 지목합니다. 오늘날 목성과 지구 사이의 거리는 태양계의 지름과 행성의 궤도 궤적과 마찬가지로 정확도가 매우 높은 것으로 알려져 있습니다. 연구자들이 이 데이터를 적용하여 지난 몇 세기 동안 이루어진 계산을 개정하면, 보다 현대적이고 정교한 기기로 얻은 값과 사실상 비슷한 빛의 속도 값을 도출하게 됩니다.