빛의 속도를 실험하다
1957년 케플러 법칙을 탄생케 한 티코 브라헤는 우주를 관측하던 중 카시오페이아 자리에서 초신성을 최초로 목격하게 됩니다. 천문학자들은 새로운 별이 갑자기 하늘에 나타나 18개월 동안 서서히 밝아졌다가 시야에서 사라지는 장면을 목격합니다. 그것을 본 후 티코 브라헤와 소수의 과학자들은 빛의 속도가 무한하다고 생각하게 되었습니다. 그리고 완전하고 불변한 우주라는 널리 통용된 개념에 의문을 품기 시작하게 됩니다. 이에 몇몇 과학자들이 빛의 속도에 의문을 제기하기 시작합니다. 그러나 워낙 오랜 세월 동안 견고하게 만들어졌던 빛의 속도가 무한하다는 생각은 바뀔 줄을 몰랐습니다. 그런데 만약 빛의 속도가 무한하다면 우리의 지구는 항상 빛나고 있어야 했습니다. 지구가 자전을 하던 공전을 하던 이 우주에는 수많은 빛들이 지구에 도달하고 있었기 때문입니다. 하지만 태양이 지고 찾아온 밤하늘에서 간간이 빛이 나는 별들 몇 개만 있을 뿐 그 외에는 전부 칠흑 같은 어둠이 감싸고 있었습니다. 그에 따라 빛을 추적하는 연구를 계속 이어졌습니다. 결국 그 속도를 직접 측정해 보기로 합니다. 1638년 지동설을 강력하게 주장한 천문학자 갈릴레오 갈릴레이는 덮개가 있는 등불 2개를 사용해 빛의 속도를 구해보기로 합니다. 그는 이탈리아의 플로렌스에서 5마일 정도 떨어진 장소에 덮개가 있는 등불과 사람을 배치해 둡니다. 그 후 자신의 등불 덮개를 열어 빛을 포착하게 하였습니다. 그리고 그 사람은 갈릴레이의 빛을 포착한 순간 자신의 등불 덮개를 열기로 했습니다. 그렇게 열린 덮개의 빛이 다시 갈릴레이에게 도달하는 시간차를 이용해 빛의 속도를 구하려고 하였습니다. 하지만 실험을 시작하자 덮개를 여는 순간 5마일 떨어져 있는 사람도 동시에 덮개를 열며 실험은 안타깝게도 실패하고 맙니다. 빛의 속도가 우리가 알고 있는 것처럼 굉장히 빠르지 않았다면 이 실험은 성공했을 겁니다. 문제는 빛의 속도가 무려 초속 3억 미터에 달한다는 사실입니다. 5마일 정도 거리를 빛의 속도로 이동하는 시간을 계산해 보면 고작 0.05 마이크로초로 이들 당시의 기술로 측정한다는 것은 불가능했습니다. 이러한 이유로 비록 빛의 속도를 측정하는 데는 실패했지만 갈릴레이는 다음과 같은 결론을 내렸습니다. 빛의 속도가 존재한다면 그건 사람이 인지할 수 없을 정도로 어마어마하게 빠를 것이다.
드디어 빛의 속도를 계산하게 되다
그렇게 빛의 속도는 미궁에 빠지게 됩니다. 그런데 1676년 덴마크의 천문학자인 올레 뢰머는 번뜩이는 아이디어를 하나 떠올리게 됩니다. 갈릴레이의 실험은 빛의 속도를 구할 수 없었습니다. 그렇다면 5마일보다 훨씬 멀리, 아니 아예 지구 밖으로 나가면 빛의 속도를 구할 수 있을 것이라는 놀라운 생각을 하게 됩니다. 그리고 그는 달이 지구의 그림자에 가려져 나타나는 현상인 월식을 이용해 보기로 합니다. 그 방법을 목성에 적용시켰고, 목성 주변을 공존하고 있는 위성 2호가 목성 그림자에 가려지는 현상을 관찰하게 됩니다. 그 관찰에서 뢰머는 매우 놀라운 결과를 알아내게 됩니다. 지구가 목성과 가까운 궤도상에 위치해 있을 때의 월식 현상 발생과 목성과 먼 궤도상에 위치해 있을 때의 월식 현상 발생 시간차가 있었던 것이었습니다. 무려 22분의 시간 차이가 발생하는 사실이 발견되었습니다. 지금까지의 이론대로 빛의 속도가 무한하다면 목성이 어디에 있든 월식 현상의 발생 시간은 항상 같아야만 했습니다. 하지만 목성의 위치에 따라 발생 시간이 차이가 난다는 것은 빛도 속도를 가지고 있다는 사실이었습니다. 그렇게 계산된 빛의 속도는 초속 약 2억 1200만 미터로 현대 알려진 빛의 속도와 약 26%의 오차가 있습니다. 하지만 인류 역사상 최초로 빛의 속도를 구하는 데 성공하였습니다. 이후 이 실험은 계속해서 정교해지며 1729년 영국의 천문학자였던 제임스 브레들리는 새로운 사실을 알아냅니다. 태양에서 지구로 출발한 빛이 실제 지구로 들어오는 빛과 다른 각도로 입사된다는 일명 '광행차'를 발견하게 됩니다. 이 발견은 태양에서부터 출발한 빛이 지구에 도달하는 데까지 8분 12초가 걸린다는 사실을 알아내게 됩니다. 현재 태양에서 지구까지 빛이 오는 데 걸리는 시간은 8분 17초 정도로 알려져 있는데, 제임스 브레들리는 꽤나 정확하게 빛의 속도를 계산해 낸 것이었습니다. 이후 시간이 흘러 눈에 띄게 발전한 기술과 함께 실험은 점점 정교해졌습니다. 1983년 개최된 국제 도량형 총회에서 1m 정의를 빛이 2억 9,979만 2458분의 1초 동안 움직인 거리로 정의함 하였습니다. 동시에 빛의 속도가 2억 9,979만 2,458m라는 사실을 세상에 알리게 됩니다.