재미있는 과학이야기 - 우주를 측량하는 척도

재미있는 과학이야기 - 우주를 측량하는 척도

뉴턴과 갈릴레이가 발견한 새로운 대우주는 어떻게 측정할 수 있을까? 

별들이 반짝이는 우주의 광대한 영역을 조사할 수 있는 충분한 정확도를  가진 잣대는 존재하는가? 우주를 재는 척도는 빛의 속도여야 한다는 것이 알려졌다. 그러나 빛을 척도로 사용하기 전에 우선 빛 자체를 측정하지 않으면 안 된다. 

중세에는 빛이 한 장소에서 다른 장소로 이동하는 데 전혀 시간이 걸리지 않는다고 믿고 있었다. 어느 산꼭대기에서 피운 횃불은 그 반대편 산꼭대기에서도 금방 보인다. 

그러나 갈릴레이는 빛도 다른 것과 마찬가지로 진행하는 데 시간이 걸린다고 생각했다. 그러나 그는 그것을 증명하지는 못했다. 

그는 목성의 위성을 발견했을 때 빛의 속도를 증명하기 일보 직전까지 갔었다. 그는 위성들이 목성 주위를 회전할 때, 가끔씩 없어지는 것에 주목하고 있었다. 지구가 태양과 달 사이에 왔을 때 월식이 일어나는 것처럼 목성도 그 위성들과 식을 일으키는 것이다.

갈릴레이가 이 식이 일어나는 시간을 계산할 수만 있었다면 아마 그는 빛의 속도를 잰 최초의 사람이 되었을 것이다. 그러나 빛의 속도를 측정한 것은 갈릴레이가 아니라 덴마크의 Q. 뢰메르였다. 그는 목성에서 가장 가까운 위성의 식이 42시간 30분마다 일어난다는 것을 발견했다. 

그러나 6개월 후에 다시 일어나는 시간을 재어보니 42시간 30분보다도 1,000초가 느렸다 뢰메르는 이 1,000초의 차이가 왜 일어나는지를 자문해보았다. 그것은 우연이 아니었다. 자연계에는 우발적인 사건이란 없었다. 

그 신비를 해결할 수 있는 어떤 단순한 사실을 건과하고 있었던 것일까? 뢰메르는 생각했다.

'처음에는 지구가 목성에 가장 가까워지는 때인 6월에 식이 일어나는 시간을 쟀다. 하지만 다음 번에 내가 식을 잰 것은 12월이다. 

그러니 지구는 전의 궤도와 반대쪽에 있었다. 태양 주위를 도는 지구의 궤도는 직경이 약 3억km이다. 이것은 지구가 6월보다 12월에 목성으로부터 훨씬 멀리 떨어져 있다는 것을 의미한다. 

그렇다면 그 1,000초는? 3억km는 아주 먼 거리이다. 목성으로부터 온 빛은, 직경 약 3억km의 거리를 지나 지구에 도달하기 위해 일정한 시간이 필요할 것이다. 그렇다면 빛의 속도에 대한 간단한 계산이 나온다. 

만약 빛이 약 3억km를 1,000초 안에 진행한다면 빛은 1초에 약 30만km의 속도로 진행해야 한다는 것을 알 수 있다.’

뢰메르가 생각한 목성의 위성을 이용한 빛의 속도 측정 방법

중세 사람들이 빛의 진행에는 시간이 필요없다고 믿고 있었던 것도 무리는 아니었다. 광선은 엄청난 속도로 진행하며, 3초 안에 달을 왕복할 수 있을 정도이다.

빛의 속도를 알고 난 후, 과학자들은 빛을 외계의 광대한 공간을 측정하기 위한 편리한 척도로 삼을 수 있게 되었다. 우리들은 빛이 1년간 진행하는 거리를 1광년(약 9조 4,670억km)이라고 부른다. 

우주에서 지구에 가장 가까운 1등성이며, 항성 사이의 거리를 최초로 계산할 수 있게 해준 항성 알파 켄타우리까지의 거리는 4.3광년이었다.

빛의 속도는 우주의 크기를 재는 데 무엇보다도 우수하고 유용한 비교의 표준이다. 그것은 또 우주의 본질을 이해하기 위한 열쇠이기도 하다. 

빛의 속도는 과학자들에게 원자 에너지의 제어라는 중요한 발견으로 이끈 가장 소중한 실마리를 제공했다. 아인슈타인은 유명한 공식에서 물질은 에너지로 변환될 수 있다는 것을 증명했다. 여기에서 E는 에너지, M은 물질의 질량, C는 빛의 속도를 나타낸다.