광속
Speed of light | |
| 정확값 | |
|---|---|
| 초당 미터 | 299792458 |
| 근사치(유의 세 자리까지) | |
| 시속 킬로미터 | 1080000000 |
| 초속 마일 | 186000 |
| 시속 마일[1] | 671000000 |
| 1일 천문단위 | 173[Note 1] |
| 1년에 파섹 | 0.307[Note 2] |
| 대략적인 광신호 이동 시간 | |
| 거리 | 시간을 |
| 한발 | 1.0 ns |
| 1미터 | 3.3ns |
| 정지궤도에서 지구까지 | 119ms |
| 지구 적도의 길이 | 134ms |
| 달에서 지구까지 | 1.3초 |
| 태양에서 지구까지(1AU) | 8.3분 |
| 일광년 | 1.0년 |
| 1파섹 | 3.26년 |
| 가장 가까운 별에서 태양까지 (1.3) | 4.2년 |
| 지구에서 가장 가까운 은하계에서 | 7만년 |
| 은하수 건너편에 | 87400년 |
| 안드로메다 은하에서 지구까지 | 250만년 |
| 특수상대성이론 |
|---|
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일반적으로 c로 표시되는 진공에서의 빛의 속도는 초속 299,792,458 미터(초속 약 300,000 킬로미터, 초속 186,000 마일, 시간당 6억 7,100만 마일)와 정확히 같은 일반적인 물리 상수입니다.[Note 3]특수 상대성 이론에 따르면 c는 기존 물질이나 에너지(따라서 정보를 전달하는 신호)가 공간을 이동할 수 있는 속도의 상한입니다.[4][5][6]
가시광선을 포함한 모든 형태의 전자기 방사선은 빛의 속도로 이동합니다.많은 실용적인 목적에서 빛과 다른 전자기파는 순간적으로 전파되는 것처럼 보이지만 장거리와 매우 민감한 측정의 경우 유한한 속도가 눈에 띄는 영향을 미칩니다.지구에서 볼 수 있는 모든 별빛은 먼 과거로부터 온 것으로, 인간이 먼 물체를 보면서 우주의 역사를 연구할 수 있게 해줍니다.먼 우주 탐사선과 통신할 때 신호가 이동하는 데 몇 분에서 몇 시간이 걸릴 수 있습니다.컴퓨팅에서 빛의 속도는 궁극적인 최소 통신 지연을 고정합니다.빛의 속도는 비행 측정 시간에 사용되어 매우 높은 정밀도로 큰 거리를 측정할 수 있습니다.
올레 뢰머는 1676년 목성의 달 이오의 겉보기 운동을 연구함으로써 빛이 순간적으로 이동하지 않는다는 것을 처음으로 증명했습니다.그것의 속도를 진보적으로 더 정확하게 측정한 것은 그 후 몇 세기 동안입니다.1865년에 출판된 논문에서 제임스 클러크 맥스웰은 빛이 전자기파이므로 속도 c로 이동한다고 제안했습니다.[7]1905년, 알버트 아인슈타인은 어떤 관성 기준 프레임에 대한 빛의 속도 c는 일정하고 광원의 운동과는 무관하다고 가정했습니다.[8]그는 상대성 이론을 유도함으로써 그 가설의 결과를 탐구했고, 그렇게 함으로써 매개 변수 c가 빛과 전자기의 맥락 밖에서 관련성을 가지고 있다는 것을 보여주었습니다.
질량이 없는 입자와 중력파와 같은 필드 섭동도 진공 속에서 c의 속도로 이동합니다.이러한 입자와 파동은 소스의 움직임이나 관측자의 관성 기준 프레임에 관계없이 c로 이동합니다.정지 질량이 0이 아닌 입자는 c에 접근하기 위해 가속될 수 있지만 속도가 측정되는 기준 프레임에 관계없이 결코 도달할 수 없습니다.특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론에서, c는 공간과 시간의 상관 관계를 가지며, 또한 유명한 질량-에너지 등가 방정식인 E = mc에도 나타납니다.
어떤 경우에는 물체나 파동이 빛보다 더 빠르게 이동하는 것처럼 보일 수도 있습니다(예: 파동의 위상 속도, 특정 고속 천체의 출현 및 특정 양자 효과).우주의 팽창은 일정한 경계를 넘어 빛의 속도를 초과하는 것으로 이해됩니다.
빛이 유리나 공기와 같은 투명한 물질을 통해 전파되는 속도는 c보다 작습니다. 마찬가지로 와이어 케이블의 전자기파 속도도 c보다 느립니다.c와 빛이 물질 내를 이동하는 속도 v 사이의 비율을 물질의 굴절률 n(n = c/v)이라고 합니다.예를 들어, 가시광선의 경우 유리의 굴절률은 일반적으로 1.5 정도이며, 이는 유리의 빛이 c/1.5 ≈ 200000 km/s (124,000 mi/s)로 진행한다는 것을 의미합니다. 가시광선의 공기 굴절률은 약 1.0003 정도이므로 공기 중 빛의 속도는 c보다 약 90 km/s (56 mi/s) 느립니다.
수치, 표기 및 단위
진공에서의 빛의 속도는 보통 "상수" 또는 라틴어 셀러리타('신속함, 셀러리티'라는 뜻)에 대해 소문자 c로 표시됩니다.1856년, 빌헬름 에두아르트 베버와 루돌프 콜라우슈는 진공에서 빛의 속도보다 √2배 빠른 다른 상수에 c를 사용했습니다.역사적으로, 기호 V는 1865년 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)에 의해 도입된 빛의 속도에 대한 대체 기호로 사용되었습니다.1894년, 폴 드루드는 c를 현대적인 의미로 재정의했습니다.아인슈타인은 1905년 특수 상대성 이론에 관한 그의 원래 독일어 논문에서 V를 사용했지만 1907년에 그는 빛의 속도에 대한 표준 기호가 된 c로 전환했습니다.[10][11]
때때로 c는 어떤 재료 매질에서의 파동의 속도에 사용되고 c는0 진공에서의 빛의 속도에 사용됩니다.[12]공식적인 SI 문헌에서 승인된 이 첨자 표기법은 관련 전자기 상수와 동일한 형태를 갖습니다. 즉, 진공 투과율 또는 자기 상수는 μ, 진공 유전율 또는 전기 상수는 ε, 그리고 자유 공간의 임피던스는 Z입니다.이 기사는 진공에서의 빛의 속도만을 위해 c를 사용합니다.
단위 시스템에서 사용
1983년 이래로 상수 c는 정확히 299792458 m/s로 국제단위계(SI)에 정의되었습니다. 이 관계는 빛이 진공 속에서 이동하는 거리로 정확히 미터를 정의하는 데 사용됩니다.1초의 ⁄ 299792458.따라서 c의 값과 두 번째 값의 정확한 측정을 사용함으로써 미터의 표준을 확립할 수 있습니다.[14]치수 물리 상수로서 c의 수치 값은 단위 시스템마다 다릅니다.예를 들어, 제국 단위에서 빛의 속도는 약 초당 186282 마일 또는 [Note 4]약 나노초당 1피트입니다.[Note 5][15][16]
상대성 이론에서와 같이 c가 자주 나타나는 물리학의 분과에서는 c=1인 자연 측정 단위계 또는 기하학화된 단위계를 사용하는 것이 일반적입니다. 이 단위들을 사용하면 c는 곱셈이나 1로 나누는 것이 결과에 영향을 미치지 않기 때문에 명확하게 나타나지 않습니다.초당 광초 단위는 생략하더라도 여전히 관련성이 있습니다.
물리학의 기본적 역할
광파가 진공에서 전파되는 속도는 파동원의 운동과 관측자의 관성 기준 프레임 모두에 독립적입니다.[Note 6]빛의 속도의 불변성은 맥스웰의 전자기 이론과 발광 에테르에 대한 운동에 대한 증거의 부족에 의해 동기 부여된 [8]후 1905년 아인슈타인에 의해 가정되었습니다.[19][Note 7]빛의 양방향 속도(예를 들어, 소스에서 미러로 갔다가 다시 돌아오는 것)가 프레임 독립적이라는 것을 실험적으로만 확인할 수 있는데, 이는 빛의 단방향 속도(예를 들어,소스와 디텍터의 클럭을 동기화하는 방법에 대한 관례 없이 소스에서 원격 디텍터까지).그러나 시계에 아인슈타인 동기화를 채택함으로써, 빛의 일방향 속도는 정의상 빛의 일방향 속도와 같아집니다.[20][21]특수 상대성 이론은 모든 관성 기준 프레임에서 물리 법칙이 동일하다는 가정 하에 c의 불변성의 결과를 탐구합니다.[22][23]결과적으로 c는 빛을 포함한 질량이 없는 모든 입자와 파동이 진공 속에서 이동해야 하는 속도입니다.[24][Note 8]
특수 상대성 이론은 직관적이고 실험적으로 검증된 많은 의미를 갖습니다.[26]여기에는 질량과 에너지의 등가성(E = mc), 길이 수축(움직이는 물체가 짧아짐), 시간 지연(움직이는 시계가 더 느리게 작동함) 등이 포함됩니다.길이가 수축하고 시간이 팽창하는 인자 γ를 로렌츠 인자라고 하며, γ = (1 - v/c)에 의해 주어지며, 여기서 v는 물체의 속도입니다.γ과 1의 차이는 대부분의 일상 속도와 같이 c보다 훨씬 느린 속도에서는 무시할 수 있지만, v가 c에 접근하면 상대론적 속도에서 증가하고 무한대로 발산합니다.예를 들어, γ = 2의 시간 팽창 계수는 광속의 86.6%의 상대 속도에서 발생합니다(v = 0.866 c).마찬가지로 γ = 10의 시간 팽창 계수는 광속의 99.5%에서 발생합니다(v = 0.995 c).
특수상대성이론의 결과는 공간과 시간을 시공간으로 알려진 통일된 구조로 취급하고 (공간과 시간의 단위를 연관시키는 것과) 물리적 이론이 그 수학 공식이 매개변수 c를 포함하는 로렌츠 불변성이라고 불리는 특별한 대칭을 만족하도록 요구함으로써 요약될 수 있습니다.[29] 로렌츠 불변성은 거의 예외입니다.양자 전기역학, 양자 색역학, 입자 물리학의 표준 모델, 일반 상대성 이론과 같은 현대 물리 이론에 대한 보편적인 가정.이와 같이 매개변수 c는 현대 물리학에서 어디에나 존재하며, 빛과 무관한 많은 맥락에서 나타납니다.예를 들어, 일반 상대성 이론은 c가 중력파와 중력파의 속도이기도 하다고 예측하며,[30] 중력파의 관측은 이 예측과 일치합니다.[31]비 관성 기준 프레임(중력 곡선 시공간 또는 가속 기준 프레임)에서, 지역 광속은 일정하고 c와 동일하지만, 측정값이 지역에 외삽되는 방식에 따라 원격 기준 프레임에서 측정될 때 광속은 c와 다를 수 있습니다.[32]
일반적으로 c와 같은 기본 상수는 시공간 전체에서 동일한 값을 갖는다고 가정하는데, 이는 위치에 따라 달라지지 않고 시간에 따라 변하지 않는다는 것을 의미합니다.하지만, 시간이 지남에 따라 빛의 속도가 변했을 수도 있다는 것이 여러 이론들로 제시되고 있습니다.[33][34]그러한 변화에 대한 결정적인 증거는 발견되지 않았지만, 그것들은 계속되는 연구의 주제로 남아 있습니다.[35][36]
또한 일반적으로 빛의 속도가 등방성이라고 가정하는데, 이는 빛의 속도가 측정되는 방향과 관계없이 동일한 값을 갖는다는 것을 의미합니다.자기장에서 방출하는 핵의 방향에 대한 함수로서 핵 에너지 준위로부터의 방출을 관찰하는 것(휴즈-드라이버 실험 참조)과 회전하는 광학 공명기(공진기 실험 참조)은 가능한 양방향 이방성에 엄격한 제한을 가했습니다.[37][38]
속도 상한
특수상대성이론에 따르면 정지질량 m과 속도 v를 갖는 물체의 에너지는 γmc에 의해 주어지는데, 여기서 γ는 위에서 정의한 로렌츠 계수입니다.v가 0일 때 γ는 1과 같으며, 질량-에너지 동등성에 대한 유명한 E = mc 공식을 생성합니다.v가 c에 접근할 때 γ 계수는 무한대에 가까워지고, 질량을 가진 물체를 빛의 속도로 가속하는 데는 무한한 에너지가 필요합니다.빛의 속도는 정지 질량이 양인 물체의 속도의 상한이며, 개별 광자는 빛의 속도보다 더 빠르게 이동할 수 없습니다.[39]이것은 상대론적 에너지와 운동량에 대한 많은 테스트에서 실험적으로 입증됩니다.[40]
일반적으로 신호나 에너지가 c보다 빠르게 이동하는 것은 불가능합니다.이에 대한 한 가지 주장은 동시성의 상대성 이론으로 알려진 특수 상대성 이론의 반직관적 의미에서 비롯됩니다.두 이벤트 A와 B 사이의 공간적 거리가 두 이벤트 사이의 시간 간격에 c를 곱한 것보다 크면 A가 B보다 먼저 선행하는 참조 프레임, B가 A보다 먼저 선행하는 참조 프레임 및 동시에 발생하는 참조 프레임이 있습니다.결과적으로, 어떤 것이 관성 기준 프레임에 대해 상대적으로 c보다 더 빠르게 이동한다면, 그것은 다른 프레임에 대해 시간을 역행하는 것이고, 인과관계가 위반될 것입니다.[Note 10][43]이러한 기준 틀에서는 "원인" 이전에 "효과"가 관찰될 수 있습니다.이러한 인과관계 위반은 기록된 적이 없으며,[21] 빈정거리는 안티텔레폰과 같은 역설을 초래할 것입니다.[44]
빛보다 빠른 관찰 및 실험
물질, 에너지 또는 정보 전달 신호가 c보다 큰 속도로 이동하는 것처럼 보일 수 있지만 그렇지 않은 경우가 있습니다.예를 들어, 아래 중원소 구간에서 빛의 전파에서 논의되는 바와 같이, 많은 파동 속도가 c를 초과할 수 있습니다.대부분의 안경을 통과하는 X선의 위상 속도는 보통 c를 넘을 수 있지만 위상 속도는 파동이 정보를 전달하는 속도를 결정하지 않습니다.[45][46]
레이저 빔이 멀리 있는 물체를 빠르게 스윕하면 빛이 c의 속도로 멀리 있는 물체에 도달하는 데 걸리는 시간 때문에 초기 이동이 지연되지만, 빛의 위치는 c보다 더 빨리 이동할 수 있습니다.그러나 움직이는 물리적 실체는 레이저와 레이저에서 다양한 위치로 c의 속도로 이동하는 방출된 빛뿐입니다.마찬가지로, 멀리 있는 물체에 투영된 그림자는 시간이 지연된 후 c보다 더 빠르게 움직일 수 있습니다.[47]어떤 경우에도 물질, 에너지 또는 정보는 빛보다 더 빠르게 이동하지 않습니다.[48]
두 물체가 이동하는 기준 프레임에서 두 물체 사이의 거리 변화율(닫힘 속도)은 c를 초과하는 값을 가질 수 있습니다.그러나 이는 단일 관성 프레임에서 측정된 단일 물체의 속도를 나타내는 것이 아닙니다.[48]
특정 양자 효과는 순간적으로 전달되는 것으로 보이며, 따라서 EPR 역설에서와 같이 c보다 빠릅니다.한 예로, 얽힐 수 있는 두 입자의 양자 상태가 포함됩니다.입자들 중 하나가 관찰될 때까지, 그것들은 두 개의 양자 상태들의 중첩으로 존재합니다.입자가 분리된 상태에서 한 입자의 양자 상태가 관찰되면 다른 입자의 양자 상태가 순간적으로 결정됩니다.그러나 첫 번째 입자가 관측될 때 어떤 양자 상태를 취할지 제어할 수 없기 때문에 이런 방식으로는 정보를 전달할 수 없습니다.[48][49]
빛보다 빠른 속도의 발생을 예측하는 또 다른 양자 효과는 하트만 효과라고 합니다. 특정 조건에서 가상 입자가 장벽을 통과하는 데 필요한 시간은 장벽의 두께에 관계없이 일정합니다.[50][51]이로 인해 가상 입자가 빛보다 큰 간격을 더 빨리 통과할 수 있습니다.그러나 이 효과를 이용해서는 어떠한 정보도 보낼 수 없습니다.[52]
전파은하와 퀘이사의 상대론적 제트와 [53]같은 특정 천체에서 소위 초광성 운동이 나타납니다.그러나, 이 제트들은 빛의 속도를 초과하는 속도로 움직이지는 않습니다: 겉보기 초광속 운동은 물체들이 빛의 속도에 가깝게 움직이고 가시선에 작은 각도로 지구에 접근함으로써 발생하는 투영 효과입니다: 제트가 멀리 떨어져 있을 때 방출되는 빛이 지구에 도달하는 데 더 오래 걸렸기 때문에,두 개의 연속적인 관측 사이의 시간은 광선이 방출된 순간 사이의 더 긴 시간에 해당합니다.[54]
2011년 중성미자가 빛보다 빠르게 이동하는 것으로 관측된 실험은 실험 오류 때문인 것으로 드러났습니다.[55][56]
팽창하는 우주의 모형에서, 은하들은 서로 멀리 떨어져 있을수록, 더 빨리 떨어져 떠다닙니다.예를 들어, 지구에서 멀리 떨어진 은하는 거리에 비례하는 속도로 지구로부터 멀어지고 있는 것으로 추론됩니다.허블 구라고 불리는 경계 너머에서, 그들의 지구로부터의 거리가 증가하는 속도는 빛의 속도보다 더 커집니다.[57]그러나 우주론적 시간당 적절한 거리의 증가로 정의되는 이러한 후퇴 속도는 상대론적인 의미에서 속도가 아닙니다.빛보다 빠른 우주론적 후퇴 속도는 좌표 인공물일 뿐입니다.
빛의 전파
고전물리학에서 빛은 전자기파의 한 종류로 묘사됩니다.전자기장의 고전적인 거동은 맥스웰 방정식으로 설명되는데, 맥스웰 방정식은 전자기파(빛과 같은)가 진공에서 전파하는 속도 c가 진공의 분산 정전용량과 인덕턴스와 관련이 있다고 예측하며, 그렇지 않으면 각각 전기 상수 ε와 자기 상수 μ로 알려져 있습니다.등식으로[58]
현대 양자물리학에서, 전자기장은 양자전기역학 이론(QED)에 의해 기술됩니다. 이 이론에서, 빛은 광자라고 불리는 전자기장의 기본적인 여기에 의해 기술됩니다.QED에서 광자는 질량이 없는 입자이므로 특수 상대성 이론에 따르면 진공에서 빛의 속도로 이동합니다.[24]
광자가 질량을 갖는 QED의 확장이 고려되었습니다.그러한 이론에서, 그것의 속도는 그것의 진동수에 의존할 것이고, 특별 상대성 이론의 불변 속도 c는 진공에서의 빛의 속도의 상한이 될 것입니다.[32]엄격한 테스트에서 주파수에 따른 빛의 속도 변화는 관찰되지 않았으며, 광자의 질량에 엄격한 제한을 가했습니다.[59]얻는 한계는 사용되는 모델에 따라 다릅니다. 만약 질량이 큰 광자가 프로카 이론으로 설명된다면,[60] 질량에 대한 실험 상한은 약 10g입니다−57.[61] 광자 질량이 힉스 메커니즘에 의해 생성된다면, 실험 상한은 덜 날카롭고 m ≤ 10−14 eV/c2 (대략 2 × 10g−47)입니다.[60]
빛의 속도가 진동수에 따라 달라지는 또 다른 이유는 일부 제안된 양자 중력 이론에 의해 예측되는 것처럼 특수 상대성 이론이 임의의 작은 척도에 적용되지 않기 때문일 것입니다.2009년 감마선 버스트 GRB 090510의 관찰은 에너지에 대한 광자 속도의 의존성에 대한 증거를 발견하지 못했고, 플랑크 규모에 접근하는 에너지에 대한 광자 에너지의 영향을 이 속도가 어떻게 받는지에 대한 시공간 양자화의 특정 모델에서 엄격한 제약을 지지했습니다.[62]
중간에
매질에서 빛은 일반적으로 c와 같은 속도로 전파되지 않습니다. 더 나아가 다른 종류의 빛은 다른 속도로 이동합니다.평면파(공간 전체를 채우며 오직 하나의 진동수로 채우는 파동)의 각 파고와 파고가 전파하는 속도를 위상속도 v라고p 합니다. 유한한 범위(빛의 펄스)를 가진 물리적 신호는 다른 속도로 이동합니다.펄스의 전체 외피는 그룹 속도 v로g 진행하고, 가장 초기 부분은 전방 속도 v로f 진행합니다.[63]
위상 속도는 광파가 물질을 통과하거나 한 물질에서 다른 물질로 이동하는 방법을 결정하는 데 중요합니다.이는 종종 굴절률로 표현됩니다.물질의 굴절률은 물질의 위상 속도 v에p 대한 c의 비로 정의됩니다. 굴절률이 클수록 속도가 낮다는 것을 나타냅니다.물질의 굴절률은 빛의 진동수, 세기, 편광 또는 전파 방향에 따라 달라질 수 있지만, 많은 경우 물질 의존 상수로 취급될 수 있습니다.공기의 굴절률은 대략 1.0003입니다.[64]물,[65] 유리,[66] 다이아몬드와 같은 고밀도 매질은 [67]가시광선에 대해 각각 약 1.3, 1.5, 2.4의 굴절률을 갖습니다.보스-아인슈타인 응축과 같은 이국적인 물질에서는 유효광속이 초당 수 미터에 불과할 수 있습니다.그러나 이것은 물질 물질에서 c보다 느린 속도가 모두 그렇듯이 원자 간의 흡수와 재방사 지연을 나타냅니다.물질에서 빛이 "느려지는" 극단적인 예로서, 두 개의 독립적인 물리학자 팀은 루비듐 원소의 보스-아인슈타인 응축수를 통과시킴으로써 빛을 "완전한 정지"에 이르게 한다고 주장했습니다.그러나, 이 실험들에서 빛이 "멈춘" 것이라는 대중적인 묘사는 단지 빛이 원자들의 들뜬 상태로 저장된 후, 두 번째 레이저 펄스에 의해 자극을 받아 임의로 나중에 다시 방출되는 것을 말합니다.그것이 "멈춘" 시간 동안, 그것은 더 이상 가벼워지지 않았습니다.이러한 유형의 행동은 일반적으로 빛의 속도를 "느리게" 하는 모든 투명한 매체에 대해 미시적으로 적용됩니다.[68]
투명한 물질에서는 일반적으로 굴절률이 1보다 크며, 이는 위상 속도가 c보다 작음을 의미합니다.다른 물질에서는 굴절률이 일부 진동수의 경우 1보다 작아지는 것이 가능합니다. 일부 특이한 물질에서는 굴절률이 음수가 되는 것도 가능합니다.[69]인과율이 위배되지 않는다는 요구는 어떤 물질의 유전 상수의 실제 부분과 가상 부분이 각각 굴절률과 감쇠 계수에 대응하여 Kramers-Kronig 관계에 의해 연결되어 있음을 의미합니다.[70][71]실질적으로, 이것은 굴절률이 1보다 작은 물질에서는 파동이 빠르게 흡수된다는 것을 의미합니다.[72]
그룹과 위상 속도가 다른 펄스(펄스의 모든 주파수에 대해 위상 속도가 동일하지 않을 경우 발생)가 시간이 지남에 따라 번져 나오는 것을 분산이라고 합니다.어떤 물질들은 광파에 대해 예외적으로 낮은(심지어는 0) 그룹 속도를 갖는데, 이는 느린 빛이라고 불리는 현상입니다.[73]반대로 c를 초과하는 그룹 속도는 1993년에 이론적으로 제안되었고 2000년에 실험적으로 달성되었습니다.[74]펄스가 시간에 따라 순간적으로 또는 역방향으로 이동하면서 그룹 속도가 무한 또는 음이 되는 것도 가능해야 합니다.[63]
그러나 이 옵션 중 어떤 것도 c보다 빨리 정보를 전송할 수 없습니다.가벼운 펄스로 정보를 전송하는 것은 펄스의 가장 초기 부분의 속도(전방 속도)보다 더 빠른 속도로는 불가능합니다.이것은 (특정 가정 하에서) 항상 c와 같다는 것을 보여줄 수 있습니다.[63]
입자가 매질에서 빛의 위상 속도보다 빠르게 매질을 통과하는 것은 가능합니다(그러나 여전히 c보다 느립니다).대전된 입자가 유전체 물질에서 그렇게 하면 체렌코프 방사선으로 알려진 충격파와 같은 전자기적 등가물이 방출됩니다.[75]
유한성의 실용적 효과
빛의 속도는 통신과 관련이 있습니다. 단방향 및 왕복 지연 시간은 0보다 큽니다.이것은 작은 규모부터 천문학적 규모까지 적용됩니다.반면 일부 기술은 거리 측정과 같이 빛의 유한한 속도에 의존합니다.
작은눈금
컴퓨터에서 빛의 속도는 프로세서 간에 데이터를 얼마나 빨리 보낼 수 있는지에 제한을 줍니다.프로세서가 1기가헤르츠로 작동할 경우, 신호가 한 번의 클럭 주기로 최대 약 30센티미터(1피트)밖에 이동할 수 없습니다. 실제로 인쇄 회로 기판 자체에 굴절률이 있고 신호 속도가 느려지기 때문에 이러한 거리는 훨씬 더 짧습니다.따라서 통신 지연 시간을 최소화하기 위해 메모리 칩뿐만 아니라 프로세서를 서로 가까이 배치해야 하며, 신호 무결성을 보장하기 위해 와이어를 둘 사이에 라우팅할 때 주의해야 합니다.클럭 주파수가 계속 증가하면 빛의 속도가 결국 단일 칩의 내부 설계에 제약 요인이 될 수 있습니다.[76][77]
지구상의 먼 거리
지구 적도의 둘레가 약 40075 km이고 c가 약 300000 km/s임을 고려하면, 정보가 지표면을 따라 지구의 절반을 이동하는 이론적으로 최단 시간은 약 67 밀리초입니다.빛이 광섬유(투명 물질)를 통과할 때 실제 통과 시간은 더 길어지는데, 이는 부분적으로 빛의 속도가 굴절률 n에 따라 광섬유에서 약 35% 더 느리기 때문입니다.[Note 11]또한, 글로벌 통신에서 직선은 드물고 신호가 전자 스위치나 신호 재생기를 통과할 때 이동 시간이 길어집니다.[79]
이 거리는 대부분의 응용 프로그램에서는 크게 무관하지만, 거래자가 거래를 다른 거래자보다 몇 초 앞서 거래소에 전달함으로써 미세한 이점을 얻기 위해 노력하는 고주파 거래와 같은 분야에서는 대기 시간이 중요해집니다.예를 들어, 거래자들은 공기를 통해 빛의 속도에 가까운 속도로 이동하는 전파가 상대적으로 느린 광섬유 신호를 갖는 이점 때문에 거래 허브 간의 마이크로파 통신으로 전환하고 있습니다.[80][81]
우주비행과 천문학
마찬가지로, 지구와 우주선 사이의 통신은 즉각적이지 않습니다.소스에서 수신기까지 잠시 지연이 발생하는데, 이는 거리가 증가함에 따라 더욱 두드러집니다.이 지연은 달 주위를 도는 최초의 승무원 우주선이 되었을 때 지상 관제소와 아폴로 8호 사이의 통신에 중요했습니다: 모든 질문에 대해, 지상 관제소는 답이 도착하기까지 적어도 3초를 기다려야 했습니다.[82]지구와 화성 사이의 통신 지연은 두 행성의 상대적인 위치에 따라 5분에서 20분 사이에서 달라질 수 있습니다.결과적으로 화성 표면에 있는 로봇이 문제에 부딪히게 되면 인간 조종자들은 5-20분이 지나서야 그것을 알게 될 것입니다.명령이 지구에서 화성까지 이동하는 데는 5-20분이 더 걸릴 것입니다.[83]
멀리 떨어진 천문학적 출처로부터 빛과 다른 신호를 받는 것은 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다.예를 들어, 허블 초심도장 이미지에서 멀리 보이는 은하에서 빛이 지구로 이동하는 데 130억 년(13×10년9)이 걸립니다.[84][85]오늘 촬영된 이 사진들은 우주가 10억년 미만이었던 130억년 전에 나타났던 은하들의 모습을 담고 있습니다.[84]빛의 유한한 속도 때문에 더 먼 물체들이 더 젊게 보인다는 사실은 천문학자들이 별의 진화, 은하의 진화, 그리고 우주 자체의 진화를 추론할 수 있게 해줍니다.[86]
천문학적 거리는 때때로 광년으로 표현되는데, 특히 대중적인 과학 출판물과 미디어에서 그러합니다.[87]광년(光年)은 빛이 율리우스년 한 해 동안 이동하는 거리로, 약 9,461억 킬로미터, 5,879억 마일, 또는 0.3066 파섹입니다.대략적인 수치를 보면, 1광년은 거의 10조 킬로미터 또는 거의 6조 마일입니다.지구에서 태양 다음으로 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리는 약 4.2광년 떨어져 있습니다.[88]
거리측정
레이더 시스템은 표적에 반사된 후 전파 펄스가 레이더 안테나로 돌아오는 데 걸리는 시간을 기준으로 표적까지의 거리를 측정합니다. 표적까지의 거리는 왕복 통과 시간의 절반에 빛의 속도를 곱한 값입니다.GPS(Global Positioning System) 수신기는 각 위성에서 무선 신호가 도달하는 데 걸리는 시간을 기준으로 GPS 위성과의 거리를 측정하고 이 거리로부터 수신기의 위치를 계산합니다.빛은 1초에 약 300,000 킬로미터 (186,000 마일)를 이동하기 때문에, 1초의 작은 분수들에 대한 이러한 측정은 매우 정밀해야 합니다.달 레이저 거리 측정 실험, 레이더 천문학, 심우주 네트워크는 각각 [91]왕복 통과 시간을 측정하여 달,[89] 행성[90], 우주선까지의 거리를 결정합니다.
측정.
c의 값을 결정하는 여러 가지 방법이 있습니다.한 가지 방법은 광파가 전파되는 실제 속도를 측정하는 것이며, 이는 다양한 천문학 및 지구 기반 설정에서 수행할 수 있습니다.그러나, 예를 들어 전자기 상수 ε와 μ의 값을 결정하고 c와의 관계를 사용하여 c가 나타나는 다른 물리 법칙으로부터 c를 결정하는 것도 가능합니다.역사적으로, 가장 정확한 결과는 광선의 주파수와 파장을 따로 결정함으로써 얻어졌으며, 그들의 제품은 c와 같습니다.이에 대해서는 아래의 "Interferometry" 섹션에서 보다 자세히 설명합니다.
1983년에 미터는 "1 ⁄299792458 초의 시간 간격 동안 진공 상태에서 빛이 이동한 경로의 길이"로 정의되었으며, 다음과 같이 정의에 따라 빛의 속도 값을 299792458 m/s로 고정했습니다.따라서 빛의 속도를 정확하게 측정하면 c의 정확한 값이 아니라 미터의 정확한 실현이 됩니다.
천문학적 치수
우주 공간은 규모가 크고 진공이 거의 완벽하기 때문에 빛의 속도를 측정하기에 편리한 환경입니다.일반적으로, 하나는 지구 궤도의 반경과 같은 태양계에서 빛이 기준 거리를 통과하는 데 필요한 시간을 측정합니다.역사적으로, 그러한 측정은 지구 기반 단위에서 기준 거리의 길이가 얼마나 정확히 알려져 있는지에 비해 상당히 정확하게 이루어질 수 있었습니다.
올레 크리스텐센 뢰머는 1676년에 빛의 속도를 최초로 정량적으로 추정하기 위해 천문학적인 측정을 사용했습니다.[93][94]지구에서 측정했을 때, 지구가 행성에 접근할 때는 지구가 행성에서 멀어질 때보다 먼 행성을 공전하는 달의 주기가 짧습니다.행성(또는 달)에서 지구까지의 빛의 이동 거리는 지구가 행성에 가장 가까운 궤도 지점에 있을 때보다 짧습니다. 거리의 차이는 지구가 태양을 도는 궤도의 지름입니다.달의 공전 주기의 관측된 변화는 빛이 더 짧거나 더 긴 거리를 지나는데 걸리는 시간의 차이 때문입니다.뢰머는 목성의 가장 안쪽에 있는 주요 위성 Io에 대해 이 효과를 관측했고, 빛이 지구 궤도의 지름을 가로지르는데 22분이 걸린다고 추론했습니다.[93]
또 다른 방법은 18세기에 제임스 브래들리가 발견하고 설명한 빛의 수차를 이용하는 것입니다.[95]이 효과는 멀리 떨어진 항성으로부터 도달하는 빛의 속도와 관측자의 속도의 벡터 덧셈에 기인합니다(오른쪽 도표 참조).따라서 움직이는 관측자는 빛이 약간 다른 방향에서 오는 것을 보고 결과적으로 소스가 원래 위치에서 이동하는 것을 봅니다.지구가 태양을 공전함에 따라 지구의 속도의 방향이 지속적으로 변하기 때문에, 이 효과는 별들의 겉보기 위치가 움직이게 합니다.별들의 위치의 각도 차이(최대 20.5 초)[96]로부터 태양 주위를 도는 지구의 속도로 빛의 속도를 표현할 수 있으며, 이는 1년의 길이로 알려진 것으로 태양에서 지구까지 이동하는 데 필요한 시간으로 변환될 수 있습니다.1729년, 브래들리는 이 방법을 사용하여 빛이 궤도에서 지구보다 10210배나 더 빠르게 이동한다는 것을 알아냈습니다. (현대 수치는 10066배나 더 빠릅니다.) 또는 이와 동등하게, 빛이 태양에서 지구까지 이동하는 데 8분 12초가 걸린다는 것을 알아냈습니다.[95]
천문단위
천문단위(AU)는 대략적으로 지구와 태양 사이의 평균 거리입니다.2012년에 정확히 149597870700m로 재정의되었습니다.[97][98]이전에 AU는 국제단위계에 기초한 것이 아니라 고전역학의 틀에서 태양이 작용하는 중력에 기초한 것이었습니다.[Note 12]현재의 정의는 측정에 의해 결정된