우주에 빛보다 빠른 것이 있을까?

(댄 트리) - 빛은 초당 299,792,458km의 속도로 이동합니다. 이는 우주의 절대 한계로 여겨지는 수치입니다. 그런데 왜 빛의 속도는 유한하며, 왜 아무것도 이 한계를 넘을 수 없는 걸까요?

물리학자들은 한때 빛을 "쫓으려" 노력했습니다.(그림: 게티)

이 이야기는 갈릴레오의 실패한 실험부터 아인슈타인의 현대적 검증까지 수 세기를 아우르며, 겉보기에 불가능해 보이는 일을 설명합니다.

갈릴레오에서 빛의 속도를 처음 측정하기까지

17세기 이전에는 대부분의 이론이 빛이 순간적으로 전파되거나 그 속도가 절대적이라고 믿었습니다. 그러나 갈릴레오 갈릴레이는 이 가설에 의문을 제기한 최초의 인물이었습니다.

1638년, 갈릴레오는 조수들과 함께 두 산에서 등불을 이용하여 빛의 지연 시간을 측정하는 실험을 진행했습니다. 그러나 지연 시간이 너무 짧아(마이크로초 단위) 당시 장비와 인간의 반사 신경으로는 빛의 실제 속도를 측정할 수 없었습니다. 이러한 실패에도 불구하고, 갈릴레오는 빛이 "순간적이지는 않더라도 매우 빠르다"는 결론을 내렸습니다.

갈릴레오는 실험을 통해 빛의 속도는 유한하지만, 이 숫자는 매우 크다는 사실을 발견했습니다(사진: Medium).

불과 수십 년 후, 천문학자 올레 뢰머가 최초의 추정치를 내놓았습니다. 목성의 위성 이오를 관찰한 그는 이오가 목성의 그림자 속으로 들어갔다 나오는 시간이 지구의 궤도 위치에 따라 달라진다는 것을 발견했습니다.

10분이 넘는 이 누적 오차는 뢰머에 의해 빛이 더 먼 거리를 이동하는 데 걸리는 시간이 더 길어지기 때문에 발생한다고 설명되었습니다. 이를 바탕으로 그는 빛의 속도를 약 214,000km/s로 추정했는데, 이는 당시로서는 획기적인 결과였습니다.

1849년, 물리학자 이폴리트 피조는 8km 떨어진 곳에 반사 거울을 설치하고 고속 회전 기어를 사용하여 처음으로 빛의 속도를 직접 측정했습니다.

기어가 매우 빠르게 회전하여 다음 톱니에 빛이 가려졌을 때, 피조는 약 315,000km/s의 속도를 계산했는데, 이는 오늘날의 값의 5%에 불과했습니다. 이는 빛을 가설이 아닌 정량적 연구의 대상으로 만든 전환점이었습니다.

아인슈타인과 우주의 절대 한계

가장 큰 의문은 여전히 ​​남아 있습니다. 왜 빛의 속도가 궁극적인 한계일까요? 20세기 초, 알베르트 아인슈타인은 그의 유명한 이론으로 이 문제를 해결했습니다.

그는 다음과 같은 질문을 던졌습니다. 고속으로 움직이는 로켓에 손전등을 장착한다면, 방출되는 빛이 진공 속의 빛보다 더 강할까요? 놀랍게도 답은 '아니요'였습니다. 시간과 공간은 절대적이지 않기 때문입니다.

알베르트 아인슈타인은 그의 이론으로 빛의 문제를 해결했습니다(사진: 게티).

특수 상대성 이론(1905)에 따르면, 물체가 빠르게 움직이면 질량이 증가하고 동시에 시간이 느려집니다. 빛의 속도에 도달하면 시간이 멈추고 질량은 무한대가 되어 더 이상 가속될 수 없습니다. 따라서 어떤 물질 입자도 빛을 앞지를 수 없습니다.

이후의 실험들은 아인슈타인의 이론을 점차 확증했습니다. 1964년, MIT 연구원 빌 베르토치는 전자를 가속하여 전자가 빛의 속도에 가까워질수록 너무 무거워져 더 이상 가속할 수 없다는 것을 발견했습니다.

1970년대에 두 물리학자 조셉 하펠레와 리처드 키팅은 세슘 원자시계를 비행기에 싣고 세계 일주를 했습니다. 돌아왔을 때, 시계는 실험실의 표준 시계보다 느리게 작동하고 있었습니다. 이는 시간 지연의 명백한 증거였습니다.

오늘날 위성 GPS 시스템조차도 상대성 이론에 따라 시간 보정을 계산해야 합니다. 이를 무시하면 위치 오차가 최대 킬로미터에 달할 수 있으며, 이는 현대 기계 시스템 전체의 붕괴를 초래할 수 있습니다.

그러므로 빛의 속도는 단순한 숫자가 아니라 자연의 근본적인 한계이며, 현대 물리학과 기술의 기초입니다.

갈릴레오의 실패, 뢰머의 진보, 피조의 독창성, 아인슈타인의 천재성까지, 빛의 이야기는 하나의 진실을 증명했습니다. 이 우주에서는 빛보다 빠른 것은 없습니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/trong-vu-tru-co-thu-gi-nhanh-hon-anh-sang-20250929072502675.htm