빛의 속도와 상대성 이론

[dhleepaul]

빛의 속도정확한 값초당 미터근사치(유효 숫자 3자리까지)시간당 킬로미터초당 마일시간당 마일[1]하루 천문학 단위연간 파섹대략적인 광 신호 이동 시간거리한 발1미터정지 궤도에서 지구까지지구의 적도의 길이달에서 지구까지태양에서 지구까지(1AU )1광년1 파섹가장 가까운 별에서 태양까지(1.3 pc)가장 가까운 은하계에서 지구까지은하수를 가로질러안드로메다 은하에서 지구로

특수 상대성 이론

상대성 원리Principle of relativity Theory of relativityFormulations

일반적으로 c로 표시되는 진공 상태의 빛의 속도는 초당 299,792,458 미터 (초당 약 300,000 킬로미터, 초당 186,000 마일, 시속 6 억 7,100 만 마일)와 정확히 동일한 보편적 인 물리 상수입니다. 국제 협약에 의해 미터는 1/299792458 초의 시간 간격 동안 진공 상태에서 빛이 이동한 경로의 길이로 정의되기 때문에 정확합니다. 빛의 속도는 상대 속도에 관계없이 모든 관찰자에게 동일합니다. 정보, 물질 또는 에너지가 공간을 이동할 수 있는 속도의 상한선입니다. [2][3][4]

가시광선을 포함한 모든 형태의 전자기 복사는 빛의 속도로 이동합니다. 많은 실용적인 목적을 위해 빛 및 기타 전자기파는 순간적으로 전파되는 것처럼 보이지만 장거리 및 민감한 측정의 경우 유한 속도가 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 지구에서 보는 많은 별빛은 먼 과거의 것이기 때문에 인간은 먼 과거의 물체를 보면서 우주의 역사를 연구할 수 있습니다. 먼 거리에 있는 우주 탐사선과 통신할 때 신호가 이동하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 컴퓨팅에서 빛의 속도는 궁극적인 최소 통신 지연을 고정합니다. 빛의 속도는 비행 시간 측정에 사용되어 매우 높은 정밀도로 먼 거리를 측정할 수 있습니다.

올레 뢰머(Ole Rømer)는 목성의 위성 이오(Io)의 겉보기 운동을 연구함으로써 빛이 순간적으로 이동하지 않는다는 것을 처음으로 입증했다. 1865년 논문에서 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 빛이 전자기파이므로 c의 속도로 이동한다고 제안했습니다. [5] 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)은 관성 기준계에 대한 빛의 속도 c는 일정하며 광원의 움직임과 무관하다고 가정했습니다. [6] 그는 상대성 이론을 유도하여 그 가정의 결과를 탐구했으며, 따라서 매개 변수 c가 빛과 전자기학의 맥락 밖에서 관련성이 있음을 보여주었습니다.

질량이 없는 입자와 중력파와 같은 자기장 섭동도 진공 상태에서 c 속도로 이동합니다. 이러한 입자와 파동은 소스의 움직임 또는 관찰자의 관성 참조 프레임에 관계없이 c에서 이동합니다. 정지 질량이 0이 아닌 입자는 c에 접근하도록 가속될 수 있지만 속도가 측정되는 기준 프레임에 관계없이 c에 도달할 수 없습니다. 상대성 이론에서 c는 공간과 시간을 상호 관련시키고 유명한 질량-에너지 등가, E = mc2 에 나타납니다. [7]

경우에 따라 물체나 파도가 빛보다 빠르게 이동하는 것처럼 보일 수 있습니다. 우주의 팽창은 특정 경계를 넘어서는 빛의 속도를 초과하는 것으로 이해됩니다. 빛이 유리나 공기와 같은 투명한 물질을 통해 전파되는 속도는 c보다 작습니다. 마찬가지로 와이어 케이블의 전자파의 속도는 C보다 느립니다. c와 빛이 물질에서 이동하는 속도 v 사이의 비율을 물질의 굴절률 n(n = ⁠c/v⁠). 예를 들어, 가시광선의 경우 유리의 굴절률은 일반적으로 약 1.5이며, 이는 유리의 빛이 1.5 미만으로 이동한다는 것을 의미합니다. ⁠c/1.5⁠ ≈ 200,000km/s(124,000mi/s); 가시광선에 대한 공기의 굴절률은 약 1.0003이므로 공기 중 빛의 속도는 C보다 약 90km/s(56mi/s) 느립니다.

숫자값, 표기법, 단위(numerical value, notation, and units)

진공 상태에서 빛의 속도는 일반적으로 소문자 c로 표시됩니다. 문자 선택의 기원은 불분명하며, "상수"를 뜻하는 "c" 또는 라틴어 celeritas('신속함, 기민함'을 의미)를 포함한 추측이 있습니다. [8] "c"는 Leonhard Euler와 다른 사람들의 책에서 속도를 의미하는 "celerity"에 사용되었지만이 속도는 특별히 빛에 대한 것이 아닙니다. 아이작 아시모프(Isaac Asimov)는 "C for Celeritas"라는 유명한 과학 논문을 썼지만, 그 기원에 대해서는 설명하지 않았다. [9] 1856 년 빌헬름 에두아르트 베버 (Wilhelm Eduard Weber)와 루돌프 콜라 우쉬 (Rudolf Kohlrausch)는 진공 상태에서 빛의 속도의 √2 배와 같은 것으로 밝혀진 다른 상수에 대해 c를 사용했습니다. 역사적으로 기호 V는 1865 년 James Clerk Maxwell에 의해 도입 된 빛의 속도에 대한 대체 기호로 사용되었습니다. 1903년, 맥스 에이브러햄(Max Abraham)은 널리 읽히는 전자기학 교과서에서 c를 현대적 의미로 사용했습니다. 아인슈타인은 1905년 특수 상대성 이론에 관한 독일어 논문에서 V를 사용했지만, 1907년에 c로 바꿨는데, 이는 그때까지 빛의 속도에 대한 표준 기호가 되었습니다. [10][8]

때때로 c는 모든 물질 매체에서 파동의 속도에 사용되고 c0은 진공에서 빛의 속도에 사용됩니다. [11] 공식 SI 문헌 에서 승인되는이 아래 첨자 표기법 [12] 은 관련 전자기 상수와 동일한 형식을 가지고 있습니다 : 즉, 진공 투과성 또는 자기 상수에 대해 μ0, 진공 유전율 또는 전기 상수에 대해 ε0, 자유 공간의 임피던스에 대해 Z0 . 이 기사에서는 진공 상태에서 빛의 속도에만 c를 사용합니다.

단위 시스템에서 사용

추가 정보: 미터 § 빛의 속도 정의

1983 년 이래로 상수 c는 국제 단위계 (SI)에서 정확히 299792458 m / s로 정의되었습니다. 이 관계는 미터를 빛이 진공 상태에서 1/299,792,458초 동안 이동하는 거리로 정확히 정의하는 데 사용됩니다. 두 번째는 차례로 두 개의 지정된 에너지 상태 사이의 전이에서 세슘-133 원자가 방출하는 방사선의 9,192,631,770 사이클이 차지하는 시간의 길이로 정의됩니다. [13] c의 값과 두 번째의 정확한 측정을 사용하여 미터에 대한 표준을 설정할 수 있습니다. [14]

빛의 속도에 대해 선택된 특정 값은 1983년 이전에 사용된 정의와 가능한 한 일치하는 미터에 대한 보다 정확한 정의를 제공했습니다. [13][15]

차원 물리 상수로서 c의 수치 값은 단위계마다 다릅니다. 예를 들어, 영국식 단위에서 빛의 속도는 초당 약 186282 마일, [주 3] 또는 약 1 나노 초당 피트입니다. [주4][16][17]

상대성 이론과 같이 c가 자주 나타나는 물리학 분야에서는 자연 측정 단위 시스템 또는 c = 1인 기하학적 단위 시스템을 사용하는 것이 일반적입니다. [18][19] 이러한 단위를 사용하면 곱셈 또는 1로 나누기가 결과에 영향을 미치지 않기 때문에 c 가 명시적으로 나타나지 않습니다. 초당 광초의 단위는 생략하더라도 여전히 관련이 있습니다.

물리학의 기본 역할

참조: 특수 상대성 이론

광파가 진공 상태에서 전파되는 속도는 파동 소스의 움직임과 관찰자의 관성 기준 프레임 모두와 독립적입니다. 빛의 속도의 이러한 불변성은 1905년 아인슈타인에 의해 가정되었는데,[6] 맥스웰의 전자기학 이론과 발광 에테르에 대한 운동에 대한 증거 부족에 의해 동기가 부여되었습니다. [20] 케네디-손다이크 실험(Kennedy-Thorndike experiment)과 아이브스-스틸웰(Ives-Stilwell) 실험과 같은 실험은 이 가정이 실험적 관찰과 일치한다는 것을 보여주었다. [21]

특수 상대성 이론은 물리 법칙이 모든 관성 기준계에서 동일하다는 가정과 함께 c의 이러한 불변성의 결과를 탐구합니다. [22][23] 한 가지 결과는 c가 빛을 포함한 모든 질량이 없는 입자와 파동이 진공 상태에서 이동해야 하는 속도라는 것입니다. [24]

로렌츠 계수는 속도의 함수로 γ. 1에서 시작하여 v가 c에 가까워짐에 따라 무한대에 접근합니다.

특수 상대성 이론은 직관적이지 않고 실험적으로 검증된 많은 함의를 가지고 있습니다. [25] 여기에는 질량과 에너지의 동등성(E = mc2), 길이 수축(움직이는 물체가 짧아짐), 테렐 회전(겉보기 회전), [26][27] 및 시간 팽창(움직이는 시계가 더 느리게 실행됨)이 포함됩니다. 길이가 수축하고 시간이 팽창하는 요인 γ는 로렌츠 계수로 알려져 있으며 γ = (1 − v2/c2)−1/2로 주어지며, 여기서 v는 물체의 속도입니다. γ와 1의 차이는 대부분의 일상 속도와 같이 c보다 훨씬 느린 속도에서는 무시할 수 있지만(이 경우 특수 상대성 이론은 갈릴리 상대성 이론에 의해 밀접하게 근사화됩니다) 상대론적 속도에서 증가하고 v가 c에 접근함에 따라 무한대로 발산합니다. 예를 들어, γ = 2의 시간 팽창 계수는 빛의 속도의 86.6%(v = 0.866c)의 상대 속도에서 발생합니다. 마찬가지로 γ = 10의 시간 팽창 계수는 빛의 속도의 99.5%(v = 0.995c)에서 발생합니다.

특수 상대성 이론의 결과는 공간과 시간을 시공간(c는 공간과 시간의 단위와 관련됨)으로 알려진 통일된 구조로 취급하고, 물리 이론이 로렌츠 불변성이라는 특수 대칭을 만족시킬 것을 요구함으로써 요약할 수 있습니다. [28] 로렌츠 불변성은 양자 전기 역학, 양자 색역학, 입자 물리학의 표준 모델 및 일반 상대성 이론과 같은 현대 물리 이론에 대한 거의 보편적 인 가정입니다. 따라서 매개 변수 c는 현대 물리학에서 유비쿼터스이며 빛과 관련이 없는 많은 컨텍스트에서 나타납니다. 예를 들어, 일반 상대성 이론은 c가 중력과 중력파의 속도이기도 하다고 예측하며,[29] 중력파에 대한 관측은 이 예측과 일치했습니다. [30] 비관성 기준계(중력으로 굴곡된 시공간 또는 가속된 기준계)에서 국소 빛의 속도는 일정하고 c와 같지만, 측정이 영역에 외삽되는 방식에 따라 원격 기준계에서 측정할 때 빛의 속도는 c와 다를 수 있습니다. [31]

일반적으로 c와 같은 기본 상수는 시공간 전반에 걸쳐 동일한 값을 갖는다고 가정하며, 이는 위치에 의존하지 않고 시간에 따라 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 빛의 속도가 변했을 수 있다는 다양한 이론이 제안되고 있습니다. [32][33] 이러한 변화에 대한 결정적인 증거는 발견되지 않았지만 여전히 연구가 진행 중이다. [34][35]

일반적으로 빛의 양방향 속도는 등방성이라고 가정하며, 이는 측정 방향에 관계없이 동일한 값을 갖는다는 것을 의미합니다. 자기장에서 방출하는 핵의 방향(Hughes-Drever 실험 참조)과 회전하는 광학 공진기(공진기 실험 참조)의 함수로 핵 에너지 수준의 방출을 관찰한 결과, 가능한 양방향 이방성에 엄격한 제한이 가해졌습니다. [36][37]

속도의 상한

실험실에 대해 정지 질량 m과 속도 v를 가진 물체는 해당 실험실에 대해 운동 에너지 (γ -1)mc2를 가지며, 여기서 γ는 위에서 정의한 로렌츠 계수입니다. γ 계수는 v가 c에 가까워짐에 따라 무한대에 가까워지며, 질량을 가진 물체를 빛의 속도로 가속하려면 무한한 양의 에너지가 필요합니다. [38] : 13.3 빛의 속도는 양의 정지 질량을 가진 물체의 속도에 대한 상한선입니다. 개별 광자를 분석하면 정보가 빛의 속도보다 빠르게 이동할 수 없다는 것이 확인됩니다. [39][40] 이것은 상대론적 에너지와 운동량에 대한 많은 테스트에서 실험적으로 확립되었습니다. [41]

이벤트 A는 빨간색 프레임에서 B보다 앞서고, 녹색 프레임에서 B와 동시에, 파란색 프레임에서 B를 따릅니다.

보다 일반적으로 신호나 에너지가 c보다 빠르게 이동하는 것은 불가능합니다. 이에 대한 한 가지 주장은 인과 관계로 알려져 있습니다. 두 사건 A와 B 사이의 공간적 거리가 두 사건 사이의 시간 간격에 c를 곱한 값보다 크면 A가 B보다 앞서고, B가 A보다 앞서고, 다른 기준계는 동시적인 기준계가 있습니다. 결과적으로, 무언가가 관성 기준계에 비해 c보다 빠르게 이동한다면 다른 프레임에 비해 시간을 거슬러 올라가게 되고 인과 관계가 위반됩니다. [42]: 497 [43][44] 이러한 준거 틀에서는 "원인"보다 "결과"가 먼저 관찰될 수 있습니다. 이러한 인과관계의 위반은 기록된 적이 없으며,[45] 타키온 안티폰(tachyonic antitelephone)과 같은 역설로 이어질 것이다. [46]

일부 이론적 처리에서 Scharnhorst 효과는 신호가 c보다 빠르게 이동할 수 있도록 합니다(1036분의 1). [47] 그러나 동일한 물리적 설정에 대한 다른 접근 방식은 그러한 효과를 보여주지 않습니다. [48] 그리고 이 효과가 발생할 수 있는 특별한 조건은 인과 관계를 위반하기 위해 그것을 사용하는 것을 방지하는 것으로 보입니다.

빛의 단방향 속도

본문: One-way speed of light

광원과 검출기의 clocks가 동기화되어야 하는 방법에 대한 몇 가지 규칙 없이는 빛의 단방향 속도(예: 소스에서 먼 검출기까지)를 측정하는 것이 불가능하기 때문에 빛의 양방향 속도(예: 소스에서 미러로, 그리고 다시 소스로)가 프레임에 독립적이라는 것을 실험적으로 검증하는 것만 가능합니다. 시계에 아인슈타인 동기화를 채택하면 단방향 빛의 속도는 정의에 따라 빛의 양방향 속도와 같아집니다. [49][45]

빛보다 빠른 관찰 및 실험

참조: 빛보다 빠른 운동(Faster-than-light and Superluminal motion)

물질, 에너지 또는 정보 전달 신호가 c보다 빠른 속도로 이동하는 것처럼 보일 수 있지만 그렇지 않은 상황이 있습니다. 예를 들어, 아래 매체 섹션에서 빛의 전파에서 논의된 바와 같이 많은 파동 속도가 c를 초과할 수 있습니다. 대부분의 안경을 통한 X선의 위상 속도는 일상적으로 c를 초과할 수 있지만[50] 위상 속도는 파동이 정보를 전달하는 속도를 결정하지 않습니다. [51]

레이저 빔이 멀리 있는 물체를 가로질러 빠르게 스윕되면 빛의 스폿은 c보다 빠르게 이동할 수 있지만, 빛이 c 속도로 멀리 있는 물체에 도달하는 데 걸리는 시간 때문에 스폿의 초기 이동이 지연됩니다. 그러나 움직이는 유일한 물리적 실체는 레이저와 레이저에서 방출되는 빛이며, 레이저에서 스폿의 다양한 위치로 c 속도로 이동합니다. 마찬가지로, 멀리 있는 물체에 투영된 그림자는 시간이 지연된 후 c보다 빠르게 움직이도록 만들 수 있습니다. [52] 어떤 경우에도 물질, 에너지 또는 정보가 빛보다 빠르게 이동하지 않습니다. [53]

두 물체가 모두 움직이고 있는 기준계에서 두 물체 사이의 거리 변화율(닫는 속도)은 c를 초과하는 값을 가질 수 있습니다. 그러나 이것은 단일 관성 프레임에서 측정된 단일 물체의 속도를 나타내지 않습니다. [53]

특정 양자 효과는 EPR 역설에서와 같이 순간적으로 전달되므로 c보다 빠르게 전송되는 것으로 보입니다. 예를 들어 얽힐 수 있는 두 입자의 양자 상태와 관련이 있습니다. 입자 중 하나가 관찰될 때까지 두 양자 상태의 중첩으로 존재합니다. 입자가 분리되고 한 입자의 양자 상태가 관찰되면 다른 입자의 양자 상태가 즉시 결정됩니다. 그러나 첫 번째 입자가 관찰될 때 어떤 양자 상태를 취할지 제어하는 것은 불가능하므로 이러한 방식으로 정보를 전송할 수 없습니다. [53][54]

빛보다 빠른 속도의 발생을 예측하는 또 다른 양자 효과는 하트만 효과(Hartman effect)라고 불리는데, 특정 조건에서는 가상 입자가 장벽을 통과하는 데 필요한 시간은 장벽의 두께에 관계없이 일정합니다. [55][56] 이것은 가상 입자가 빛보다 더 빨리 큰 틈을 가로지르는 결과를 초래할 수 있습니다. 그러나 이 효과를 사용하여 정보를 보낼 수 없습니다. [57]

소위 초광속 운동(superluminal motion)은 전파 은하와 퀘이사의 상대론적 제트와 같은 특정 천체에서 볼 수 있습니다. 그러나, 이 제트들은 빛의 속도를 초과하는 속도로 움직이지 않는다: 겉보기 초광속 운동은 물체가 빛의 속도에 가깝게 움직이고 시선에 작은 각도로 지구에 접근함으로써 발생하는 투영 효과이다: 제트가 더 멀리 떨어져 있을 때 방출된 빛이 지구에 도달하는 데 더 오래 걸렸기 때문에, 두 개의 연속적인 관측 사이의 시간은 광선이 방출된 순간 사이의 더 긴 시간에 해당합니다. [59]

중성미자가 빛보다 빠르게 이동하는 것이 관찰된 2011년 실험은 실험 오류로 밝혀졌다. [60][61]

팽창하는 우주 모델에서, 은하들은 서로 멀리 떨어져 있을수록, 더 빨리 멀어진다. 예를 들어, 지구에서 멀리 떨어져 있는 은하들은 그들의 거리에 비례하는 속도로 지구로부터 멀어지고 있는 것으로 추론된다. 허블 구(Hubble sphere)라고 불리는 경계를 넘어서면, 지구로부터의 거리가 증가하는 속도가 빛의 속도보다 커진다. [62] 이러한 후퇴율은 우주론적 시간당 적절한 거리의 증가로 정의되며, 상대론적 의미에서의 속도가 아니다. 빛보다 빠른 우주론적 후퇴 속도는 단지 좌표 인공물일 뿐이다.

빛의 전파

고전 물리학에서 빛은 전자기파의 일종으로 설명됩니다. 전자기장의 고전적인 동작은 맥스웰 방정식에 의해 설명되며, 전자기파 (예 : 빛)가 진공에서 전파되는 속도 c는 진공의 분산 커패시턴스 및 인덕턴스와 관련이 있으며, 그렇지 않으면 각각 전기 상수 ε0 및 자기 상수 μ0으로 알려져 있습니다. 63]𝑐=1𝜀0𝜇0.

현대 양자 물리학에서 전자기장은 양자 전기 역학 (QED) 이론에 의해 설명됩니다. 이 이론에서 빛은 광자(photons)라고 하는 전자기장의 기본 여기(또는 양자)에 의해 설명됩니다. QED에서 광자는 질량이 없는 입자이므로 특수 상대성 이론에 따르면 진공 상태에서 빛의 속도로 이동합니다. [24]

광자가 질량을 갖는 QED의 확장이 고려되었습니다. 그러한 이론에서, 그 속도는 주파수에 따라 달라지며, 특수 상대성 이론의 불변 속도 c는 진공 상태에서 빛의 속도의 상한선이 될 것입니다. [31] 주파수에 따른 빛의 속도의 변화는 엄격한 테스트에서 관찰되지 않았으며, 광자의 질량에 엄격한 제한이 가해졌습니다. [64] 얻어진 한계는 사용된 모델에 따라 다르다: 만약 거대한 광자가 프로카 이론에 의해 설명된다면,[65] 그 질량에 대한 실험적 상한은 약 ×10−57 그램이다. [66] 광자 질량이 힉스 메커니즘에 의해 생성되면 실험 상한은 m ≤ 10-14 eV/c2 (약 2×10-47 g)로 덜 선명합니다. [65]

빛의 속도가 주파수에 따라 달라지는 또 다른 이유는 양자 중력에 대한 일부 제안 된 이론에 의해 예측 된 것처럼 임의로 작은 스케일에 특수 상대성 이론이 적용되지 않기 때문일 것입니다. 2009년 감마선 폭발 GRB 090510의 관측은 광자 속도가 에너지에 의존한다는 증거를 발견하지 못했으며, 이는 플랑크 규모에 접근하는 에너지에 대해 이 속도가 광자 에너지에 의해 어떻게 영향을 받는지에 대한 시공간 양자화의 특정 모델에서 엄격한 제약을 뒷받침합니다. [67]

매체에서

참고: 굴절률

매질에서 빛은 일반적으로 c와 같은 속도로 전파되지 않습니다. 또한 다양한 유형의 광파는 다른 속도로 이동합니다. 평면파(하나의 주파수만으로 전체 공간을 채우는 파동)의 개별 마루와 골이 전파되는 속도를 위상 속도 vp라고 합니다. 유한한 범위(빛의 펄스)를 가진 물리적 신호는 다른 속도로 이동합니다. 펄스의 전체 포락선은 그룹 속도 vg로 이동하고, 가장 이른 부분은 전면 속도 vf로 이동합니다. [68]

파란색 점은 잔물결의 속도, 위상 속도로 움직입니다. 녹색 점은 봉투의 속도, 그룹 속도에 따라 움직입니다. 그리고 빨간 점은 펄스의 가장 앞 부분의 속도, 즉 앞쪽 속도로 움직입니다.

위상 속도는 광파가 물질을 통해 이동하거나 한 물질에서 다른 물질로 이동하는 방식을 결정하는 데 중요합니다. 그것은 종종 굴절률로 표현됩니다. 재료의 굴절률은 재료의 위상 속도 vp에 대한 c의 비율로 정의되며, 굴절률이 클수록 속도가 낮음을 나타냅니다. 물질의 굴절률은 빛의 주파수, 강도, 편광 또는 전파 방향에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 대부분의 경우 재료 종속 상수로 취급될 수 있습니다. 공기의 굴절률은 약 1.0003입니다. [69] 물,[70] 유리,[71] 및 다이아몬드[72]와 같은 밀도가 높은 매체는 가시광선에 대해 각각 약 1.3, 1.5 및 2.4의 굴절률을 갖습니다.

보스-아인슈타인과 같은 이국적인 물질에서 절대 영도에 가까운 응축물에서 빛의 유효 속도는 초당 몇 미터에 불과할 수 있습니다. 그러나 이것은 물질 물질의 c보다 느린 모든 속도와 마찬가지로 원자 사이의 흡수 및 재 복사 지연을 나타냅니다. 물질에서 빛이 "느려지는" 극단적인 예로, 두 개의 독립적인 물리학자 팀은 빛을 루비듐 원소의 보스-아인슈타인 응축수에 통과시킴으로써 빛을 "완전히 정지"시킨다고 주장했습니다. 이러한 실험에서 빛이 "정지"된다는 일반적인 설명은 빛이 원자의 여기 상태로 저장되었다가 두 번째 레이저 펄스에 의해 자극된 대로 임의로 나중에 다시 방출되는 것을 의미합니다. 그것이 "멈춘" 시간 동안, 그것은 빛을 멈췄다. 이러한 유형의 거동은 일반적으로 빛의 속도를 "느리게" 하는 모든 투명 매체에 대해 미시적으로 사실입니다. [73]

투명 재료에서 굴절률은 일반적으로 1보다 크며, 이는 위상 속도가 c보다 작다는 것을 의미합니다. 다른 재료에서는 일부 주파수에 대해 굴절률이 1보다 작아질 수 있습니다. 일부 이국적인 재료에서는 굴절률이 음수가 될 수도 있습니다. [74] 인과 관계가 위반되지 않는다는 요구 사항은 굴절률과 감쇠 계수에 각각 해당하는 모든 물질의 유전 상수의 실제 부분과 허수 부분이 Kramers-Kronig 관계에 의해 연결된다는 것을 의미합니다. [75][76] 실질적으로 이것은 굴절률이 1 미만인 재료에서 파동이 빠르게 흡수된다는 것을 의미합니다. [77]

그룹 및 위상 속도가 다른 펄스(펄스의 모든 주파수에 대해 위상 속도가 동일하지 않은 경우 발생)는 시간이 지남에 따라 번지며 이를 분산이라고 합니다. 특정 물질은 광파에 대한 그룹 속도가 매우 낮은(또는 심지어 0) 현상을 가지며, 이를 느린 빛이라고 합니다. [78] 반대로, c를 초과하는 그룹 속도는 1993년에 이론적으로 제안되었고 2000년에 실험적으로 달성되었습니다. [79] 그룹 속도가 무한 또는 음수가 되는 것도 가능해야 하며, 펄스가 순간적으로 또는 시간적으로 거꾸로 이동하는 것도 가능해야 합니다. [68]

이러한 옵션 중 어느 것도 정보를 c보다 빠르게 전송할 수 없습니다. 펄스의 가장 빠른 부분의 속도(전면 속도)보다 빠른 광 펄스로 정보를 전송하는 것은 불가능합니다. 이것은 (특정 가정 하에서) 항상 c와 같다는 것을 보여줄 수 있습니다. [68]

입자가 그 매질에서 빛의 위상 속도보다 빠르게 매질을 통과하는 것이 가능합니다(그러나 여전히 c보다 느립니다). 하전 입자가 유전체 물질에서 그렇게 할 때 체렌코프 복사로 알려진 충격파에 해당하는 전자파가 방출됩니다. [80]

유한성의 실제적 효과

빛의 속도는 통신과 관련이 있습니다: 단방향 및 왕복 지연 시간은 0보다 큽니다. 이것은 작은 규모에서 천문학적 규모에 이르기까지 적용됩니다. 반면에 일부 기술은 예를 들어 거리 측정과 같이 유한한 빛의 속도에 의존합니다.

작은 저울

컴퓨터에서는 빛의 속도에 따라 프로세서 간에 데이터를 전송할 수 있는 속도가 제한됩니다. 프로세서가 1기가헤르츠에서 작동하는 경우 신호는 단일 클럭 주기에서 최대 약 30cm(1피트)까지만 이동할 수 있으며, 실제로 인쇄 회로 기판이 신호를 굴절시키고 속도를 늦추기 때문에 이 거리는 훨씬 더 짧습니다. 따라서 통신 지연을 최소화하기 위해 프로세서와 메모리 칩을 서로 가깝게 배치해야 하며, 신호 무결성을 보장하기 위해 프로세서 사이에 와이어를 배선할 때 주의를 기울여야 합니다. 클럭 주파수가 계속 증가하면 빛의 속도는 결국 단일 칩의 내부 설계에 대한 제한 요소가 될 수 있습니다. [81][82]

지구에서의 먼 거리

지속시간 : 4 초.0:04빛의 속도의 음향 표현 : 경고음 사이의 기간 동안 빛은 적도에서 지구 둘레를 이동합니다.

지구의 적도 둘레가 약 40,075km이고 c가 약 300,000km/s라고 가정할 때, 정보가 지구의 절반을 지표면을 따라 이동하는 데 걸리는 이론적으로 가장 짧은 시간은 약 67밀리초입니다. 빛이 광섬유(투명 물질)로 이동할 때 실제 통과 시간이 더 길어지는데, 부분적으로는 굴절률 n이 약 1.52인 광섬유에서 빛의 속도가 약 35% 느리기 때문입니다. [83] 글로벌 통신에서 직선은 드물며 신호가 전자 스위치 또는 신호 재생기를 통과할 때 이동 시간이 늘어납니다. [84]

이 거리는 대부분의 응용 프로그램과 크게 관련이 없지만, 거래자가 다른 거래자보다 1초 앞서 거래를 거래소에 전달하여 미세한 이점을 얻으려는 초단타 매매와 같은 분야에서는 대기 시간이 중요해집니다. 예를 들어, 거래자들은 공기를 통해 빛의 속도에 가까운 속도로 이동하는 전파가 상대적으로 느린 광섬유 신호에 비해 이점이 있기 때문에 거래 허브 간의 마이크로파 통신으로 전환하고 있습니다. [85][86]

우주 비행과 천문학

광선은 지구와 달 사이를 이동하는 데 광 펄스가 걸리는 시간(평균 궤도(표면-표면) 거리에서 1.255초)로 지구와 달 사이를 이동하는 것으로 묘사됩니다. 지구-달 시스템의 상대적인 크기와 분리가 스케일로 표시됩니다.

마찬가지로 지구와 우주선 간의 통신은 즉각적이지 않습니다. 소스에서 수신기까지 짧은 지연이 있으며, 이는 거리가 증가함에 따라 더 두드러집니다. 이 지연은 아폴로 8호가 달 궤도를 도는 최초의 유인 우주선이 되었을 때 지상 관제소와 아폴로 8호 사이의 통신에 상당한 영향을 미쳤으며, 지상 관제소는 모든 질문에 대해 답변이 도착할 때까지 최소 3초를 기다려야 했습니다. [87]

지구와 화성 사이의 통신 지연은 두 행성의 상대적인 위치에 따라 5분에서 20분 사이로 달라질 수 있습니다. 그 결과, 화성 표면에 있는 로봇이 문제를 만나면 인간 컨트롤러는 약 4-24분 후까지 이를 인식하지 못합니다. 그런 다음 명령이 지구에서 화성으로 이동하는 데 4-24분이 더 걸립니다. [88][89]

먼 천문학적 근원으로부터 빛과 다른 신호를 받는 데는 훨씬 더 오랜 시간이 걸린다. 예를 들어, 허블 초심원(Hubble Ultra-Deep Field) 이미지에서 볼 수 있는 먼 은하에서 빛이 지구로 이동하는 데 130억 년(13×109)이 걸립니다. [90][91] 오늘날 촬영된 이 사진들은 우주의 나이가 10억 년도 채 되지 않았던 130억 년 전의 모습 그대로의 은하들의 모습을 담고 있다. [90] 빛의 유한한 속도로 인해 멀리 있는 물체가 더 젊게 보인다는 사실은 천문학자들이 별, 은하, 우주 자체의 진화를 추론할 수 있게 해줍니다. [92]

천문학적 거리는 때때로 광년으로 표현되며, 특히 대중 과학 출판물 및 미디어에서 그렇습니다. [93] 광년은 빛이 율리우스력 1년 동안 이동하는 거리로, 약 94,610억 킬로미터, 58,790억 마일 또는 0.3066파섹입니다. 반올림으로 보면 광년은 거의 10조 킬로미터 또는 거의 6조 마일입니다. 태양 다음으로 지구에서 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리(Proxima Centauri)는 약 4.2광년 떨어져 있습니다. [94]

거리 측정

본문: Distance measurement

레이더 시스템은 전파 펄스가 표적에 의해 반사된 후 레이더 안테나로 돌아오는 데 걸리는 시간으로 표적까지의 거리를 측정합니다: 표적까지의 거리는 왕복 이동 시간의 절반에 빛의 속도를 곱한 값입니다. GPS(Global Positioning System) 수신기는 각 위성에서 무선 신호가 도착하는 데 걸리는 시간을 기준으로 GPS 위성까지의 거리를 측정하고 이 거리에서 수신기의 위치를 계산합니다. 빛은 1초에 약 300,000km(186,000마일)를 이동하기 때문에 1초의 작은 부분을 매우 정확하게 측정해야 합니다. Lunar Laser Ranging 실험, 레이더 천문학 및 Deep Space Network는 왕복 이동 시간을 측정하여 달,[95] 행성[96] 및 우주선[97]까지의 거리를 각각 결정합니다.

측량

c의 값을 결정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 광파가 전파되는 실제 속도를 측정하는 것인데, 이는 다양한 천문 및 지구 기반 설정에서 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 전자기 상수 ε0 및 μ0의 값을 결정하고 c와의 관계를 사용하여 나타나는 다른 물리 법칙에서 c를 결정하는 것도 가능합니다. 역사적으로 가장 정확한 결과는 광선의 주파수와 파장을 별도로 결정하여 얻어졌으며 그 결과는 c와 같습니다. 이에 대한 자세한 내용은 아래의 "간섭계" 섹션에 설명되어 있습니다.

1983년에 미터는 "1/299,792,458초의 시간 간격 동안 진공 상태에서 빛이 이동한 경로의 길이"로 정의되었으며,[98] 아래에 설명된 대로 정의에 따라 빛의 속도 값을 299792458m/s로 고정했습니다. 결과적으로, 빛의 속도를 정확하게 측정하면 c의 정확한 값보다는 미터의 정확한 실현을 얻을 수 있습니다.

천문학적 측정

이오가 목성을 공전하는 데 걸리는 시간부터 빛의 속도를 측정하고, 목성의 그림자에 의한 이오 일식을 사용하여 궤도를 정확하게 측정합니다.

우주 공간은 규모가 크고 거의 완벽한 진공 상태이기 때문에 빛의 속도를 측정하기에 편리한 환경입니다. 일반적으로 빛이 지구 궤도의 반지름과 같은 태양계의 일부 기준 거리를 통과하는 데 필요한 시간을 측정합니다. 역사적으로 이러한 측정은 기준 거리의 길이가 지구 기반 단위로 얼마나 정확하게 알려져 있는지와 비교하여 상당히 정확하게 이루어질 수 있었습니다.

올레 뢰머(Ole Rømer)는 1676년에 빛의 속도를 처음으로 정량적으로 추정하기 위해 천문학적 측정을 사용했습니다. [99][100] 지구에서 측정했을 때, 지구가 행성에 접근할 때보다 먼 행성을 공전하는 달의 주기가 더 짧다. 차이는 작지만 누적 시간은 수개월에 걸쳐 측정할 때 유의합니다. 행성 (또는 달)에서 지구까지 빛에 의해 이동하는 거리는 지구가 궤도에서 가장 먼 지점에있을 때보다 지구가 행성에 가장 가까운 궤도의 지점에있을 때 더 짧습니다. 관측된 달의 궤도 주기의 변화는 빛이 더 짧은 거리와 더 긴 거리를 가로지르는 데 걸리는 시간의 차이에 의해 발생합니다. 뢰머는 목성의 가장 안쪽에 있는 주요 위성인 이오(Io)에 대한 이 효과를 관측하고 빛이 지구 궤도의 지름을 가로지르는 데 22분이 걸린다고 추론했다. [99]

빛의 수차(Aberration of light): 빛의 유한한 속도로 인해 먼 거리에서 오는 빛은 움직이는 망원경의 다른 위치에서 온 것처럼 보입니다.

또 다른 방법은 18세기에 제임스 브래들리(James Bradley)가 발견하고 설명한 빛의 수차를 사용하는 것입니다. [101] 이 효과는 먼 거리의 광원(예: 별)에서 도착하는 빛의 속도와 관찰자의 속도(오른쪽 다이어그램 참조)를 벡터에 더한 결과입니다. 따라서 움직이는 관찰자는 약간 다른 방향에서 오는 빛을 보고 결과적으로 원래 위치에서 이동된 위치에 있는 광원을 볼 수 있습니다. 지구가 태양을 공전함에 따라 지구 속도의 방향이 지속적으로 변하기 때문에 이 효과로 인해 별의 겉보기 위치가 주위를 움직입니다. 별의 위치 차이(최대 20.5각초)[102]에서 빛의 속도를 태양 주위를 도는 지구의 속도로 표현할 수 있으며, 이는 알려진 1년의 길이로 태양에서 지구까지 이동하는 데 필요한 시간으로 변환할 수 있습니다. 1729년에 브래들리는 이 방법을 사용하여 빛이 궤도를 도는 지구보다 10,210배 더 빠르거나(현대의 수치는 10,066배 빠름) 태양에서 지구까지 이동하는 데 빛이 8분 12초가 걸린다는 것을 도출했습니다. [101]

천문단위

본문: Astronomical unit

역사적으로 빛의 속도는 천문 단위(AU)의 값을 결정하기 위해 타이밍 측정과 함께 사용되었습니다. [103] 2012년에 정확히 149597870700m로 재정의되었습니다. [104][105] 이 재정의는 미터의 재정의와 유사하며 마찬가지로 빛의 속도를 초당 천문학적 단위의 정확한 값으로 고정하는 효과가 있습니다(초당 미터 단위의 정확한 빛의 속도를 통해). [106]

ToF(Time of Flight) 기법

마지막이자 가장 정확한 비행 시간 측정 중 하나 인 Michelson, Pease 및 Pearson의 1930-1935 년 실험은 회전 거울과 광선이 10 번 가로 지르는 1 마일 (1.6km) 길이의 진공 챔버를 사용했습니다. ±11km/s의 정확도를 달성했습니다.

Fizeau 장치의 다이어그램:

1. 광원
2. 빔 분할 반투명 미러
3. 광선의 톱니 바퀴 차단기
4. 원격 미러
5. 텔레스코픽 튜브

빛의 속도를 측정하는 방법은 빛이 알려진 거리에서 거울로 이동하고 그 반대로 이동하는 데 필요한 시간을 측정하는 것입니다. 이것이 Hippolyte Fizeau와 Léon Foucault의 실험의 작동 원리입니다.

Fizeau가 사용한 설정은 8km(5마일) 떨어진 거울을 향하는 광선으로 구성됩니다. 소스에서 미러로 가는 길에 빔은 회전하는 톱니바퀴를 통과합니다. 특정 회전 속도에서 빔은 나가는 길에 한 틈을 통과하고 돌아오는 길에 다른 갭을 통과하지만 약간 높거나 낮은 속도에서는 빔이 톱니에 부딪혀 휠을 통과하지 않습니다. 바퀴와 거울 사이의 거리, 바퀴의 톱니 수, 회전 속도를 알면 빛의 속도를 계산할 수 있습니다. [107]

푸코의 방법은 톱니바퀴를 회전하는 거울로 대체한다. 빛이 멀리 있는 거울로 이동하고 다시 돌아오는 동안 거울은 계속 회전하기 때문에 빛은 회전하는 거울에서 반사되어 나가는 길에 다시 돌아올 때와 다른 각도로 반사됩니다. 이러한 각도의 차이로부터 알려진 회전 속도와 먼 거울까지의 거리, 빛의 속도를 계산할 수 있습니다. [108] 푸코는 프랑수아 아라고(François Arago)의 제안에 따라 이 장치를 사용하여 공기 대 물에서 빛의 속도를 측정했습니다. [109]

오늘날에는 시간 분해능이 1나노초 미만인 오실로스코프를 사용하여 레이저의 광 펄스 또는 거울에서 반사된 LED의 지연을 타이밍하여 빛의 속도를 직접 측정할 수 있습니다. 이 방법은 다른 현대 기술보다 덜 정확하지만(오차 1% 정도) 대학 물리학 수업에서 실험실 실험으로 사용되기도 합니다. [110]