빛의 속도로 여행하면

무엇을 보고 있나요

빛은 세상에서 가장 빠르지만, 언덕 두 개에 바퀴와 거울을 두면 잴 수 있을 만큼은 느립니다. 이 전시는 빛 한 번을 지구에서 출발시켜 실제 거리 그대로 안드로메다은하까지 따라갑니다. 처음 1초 동안 빛은 적도를 일곱 바퀴 반 돌 수 있습니다. 달까지는 1.3초, 태양까지의 거리는 8분 19초, 해왕성까지는 약 4시간, 보이저 1호까지는 하루, 가장 가까운 별까지는 4.25년, 우리은하 중심까지는 약 26,700년, 안드로메다까지는 250만 년이 걸립니다.

이 숫자들은 10의 거듭제곱으로 13단계가 넘게 퍼져 있어서, 무대는 축척이 미끄러지듯 바뀝니다. 밝은 공이 바로 그 빛입니다. 지구를 중심으로 1초에 299,792 km씩 커지는 빛의 껍질이고, 그 안에 있는 것은 모두 이미 빛을 받았습니다. 공이 커지면 화면이 뒤로 물러나 공이 늘 화면 안에 들어오고, 구석의 띠는 지금 화면 한 칸이 얼마인지 알려 줍니다.

무대 위쪽에는 다른 장면 다섯 개가 있습니다. 2025년 10월부터 2028년 12월 사이 아무 날짜를 골라 그날의 실제 거리로 화성 탐사차와 신호를 주고받을 수 있습니다. 빛을 처음 잰 두 실험, 1676년 뢰머의 이오 식과 1849년 피조의 톱니바퀴 앞에 서 볼 수 있습니다. 빛 다섯 개가 진공, 공기, 물, 유리, 다이아몬드 속을 달립니다. 우주선이 빛에 가까운 속도로 프록시마 센타우리에 가는 동안 두 시계가 서로 다른 값을 보입니다. 마지막 장면은 오늘 밤하늘입니다. 별마다 그 빛이 출발한 해를 알려 주고, 그 가운데 하나가 내 생일 별입니다.

무대 아래에는 과제 12개, 항목 46개짜리 빛 시간 도감, 숨은 볼거리 23개, 흔한 오해를 바로잡는 카드, 빛이 닿은 곳을 적는 기록이 있습니다.

처음 10초

전시는 지구에서 시작합니다. 빛 점 하나가 적도에서 출발해 흐려지는 꼬리를 남기며 지구를 돕니다. 구석의 숫자가 시간을 보여 줍니다. 0.25초에는 거의 2바퀴, 0.5초에는 3바퀴하고도 4분의 3바퀴를 돕니다. 1.00초가 되면 빛 점은 299,792 km를 가서 7.5바퀴를 돌았고, 이제 지구를 떠납니다.

물론 실제 빛은 지구의 곡면을 따라 돌 수 없습니다. 무엇이 휘게 하지 않는 한 빛은 곧은 길로 갑니다. 이 바퀴 돌기는 빛의 1초를 우리가 아는 크기로 바꿔 보는 방법입니다. 적도의 길이는 40,075 km이고, 빛의 1초는 그 길이의 일곱 배 반입니다.

빛 점이 떠나면 빛은 공이 됩니다. 처음 1.28초는 실제 속도로 흘러서, 달까지 가는 데 실제로 얼마나 걸리는지, 그러니까 "달"이라고 말하는 시간쯤이라는 것을 볼 수 있습니다. 그 뒤로는 자동 속도가 시간을 빠르게 돌리고, 무언가에 닿을 무렵이면 다시 느려져 공이 닿는 순간을 보여 줍니다.

지구를 일곱 바퀴 반

진공에서 빛의 속도는 정확히 초속 299,792,458 m입니다. 빛은 1초에 299,792.458 km를 갑니다. NASA가 밝힌 지구의 적도 반지름 6,378.137 km로 적도 길이를 구하면 2 × π × 6,378.137 = 40,075 km입니다. 둘을 나누면 299,792 ÷ 40,075 = 7.48바퀴입니다.

생활 속에서 더 쓸모 있는 비교는 10억분의 1초인 나노초입니다. 빛은 1나노초에 29.98 cm, 자 하나 길이쯤 갑니다. 눈에서 30 cm 떨어진 화면의 빛은 1나노초 전에 나온 빛입니다. 빛이 1.7 m인 사람을 지나는 데는 5.7나노초가 걸리고, 무대의 축척 띠도 기본 키로 이 값을 보여 줍니다.

컴퓨터는 이 나노초의 세계에서 움직입니다. 3 GHz로 도는 처리 장치는 나노초의 3분의 1마다 한 번씩 계산을 마치고, 그동안 빛은 약 10 cm를 갑니다. 가장 빠른 칩이 작고 부품끼리 가까이 붙어 있는 까닭 가운데 하나입니다.

달까지 1.3초

달까지의 평균 거리는 384,400 km라서 빛은 384,400 ÷ 299,792 = 1.28초가 걸립니다. 달의 궤도는 완전한 원이 아니므로, 이 시간은 근지점(363,300 km)에서 약 1.21초, 원지점(405,500 km)에서 1.35초로 달라집니다.

아폴로 승무원은 이 지연을 직접 느꼈습니다. 달 위의 우주비행사가 휴스턴에 질문하면 전파가 지구에 닿는 데 1.3초, 답이 돌아오는 데 1.3초가 걸렸습니다. 여기에 생각하고 말하는 시간까지 더해지니 대화 사이에 몇 초씩 빈틈이 생겼습니다.

달은 지금도 커다란 초시계로 쓰입니다. 아폴로 11호, 14호, 15호가 표면에 모서리 반사경을 두고 왔고, 소련의 루노호트 탐사차 두 대도 반사경을 싣고 갔습니다. 천문대가 짧은 레이저를 쏘면 약 2.5초 뒤에 희미한 메아리가 돌아오고, 그 시간을 잽니다. 가장 좋은 관측소는 거리를 몇 mm까지 잽니다. 달이 1년에 약 3.8 cm씩 지구에서 멀어진다는 것도 이렇게 알았습니다. 무대에서 빛이 달에 가까워지면 달을 눌러 반사경을 찾아보세요.

8분 된 햇빛

지구와 태양 사이의 평균 거리인 천문단위는 2012년 국제천문연맹이 정확히 149,597,870,700 m로 정했습니다. 빛이 이 거리를 건너는 데는 149,597,870,700 ÷ 299,792,458 = 499.0초, 8분 19초가 걸립니다.

지구의 궤도는 조금 찌그러진 타원이라서 실제 시간은 1년 동안 바뀝니다. 1월 초 근일점에서는 거리가 1억 4,710만 km이고 햇빛은 8분 11초 걸립니다. 7월 초 원일점에서는 1억 5,210만 km이고 8분 27초 걸립니다. 전시는 고른 날짜의 실제 거리를 쓰므로, 무대에서 태양에 닿는 시간이 정확히 8:19인 날은 드뭅니다.

태양이 갑자기 사라져도 지구는 그 8분 동안 햇빛을 계속 받고, 여기 있는 누구도 더 일찍 알 수 없습니다. 하늘에서 보는 모든 것은 이미 얼마 동안 길을 온 소식입니다.

태양 안에는 훨씬 긴 이야기가 하나 더 있습니다. 햇빛의 에너지는 중심에서 만들어지고, 바깥으로 나오는 동안 흡수되고 다시 나오기를 셀 수 없이 되풀이합니다. 지금 받는 빛은 8분 전에 표면을 떠났지만, 그 에너지는 거기까지 오는 데 아주 오래 걸렸을 수 있습니다. 물질 속의 빛을 다루는 장면에서 이 이야기를 다시 합니다.

행성들: 몇 분에서 몇 시간

빛은 고른 날짜에 지구에서 가까운 순서대로 행성을 지나갑니다. 전시는 NASA 제트추진연구소가 공개한 근사 궤도 공식으로 행성 위치를 계산합니다. 이 공식은 1800년부터 2050년 사이에서 1도보다 훨씬 작은 오차로 맞습니다.

태양에서의 평균 거리를 빛 시간으로 바꾸면 이렇습니다. 수성 0.387 au, 3분 13초. 금성 0.723 au, 6분 1초. 화성 1.524 au, 12분 40초. 목성 5.2 au, 43분. 토성 9.54 au, 1시간 19분. 천왕성 19.2 au, 2시간 40분. 해왕성 30.07 au, 4시간 10분. 지구에서 보면 숫자가 크게 출렁입니다. 금성은 지구와 태양 사이를 지날 때는 2분 거리이지만, 태양 건너편에 있을 때는 14분 거리입니다.

우주선을 운영하는 어려움은 바로 이 시간에서 나옵니다. 해왕성에 있는 탐사선에 명령을 보내면 닿는 데 약 4시간, 답이 오는 데 다시 4시간이 걸립니다. 기술자들은 꼼꼼히 확인한 긴 명령 묶음을 보낸 뒤, 무슨 일이 있었는지 기다려서야 압니다. 전시의 빛은 행성을 지날 때마다 표시를 남기고, 무대 아래 기록에 시간이 적힙니다.

보이저 1호와 첫 1광일

보이저 1호는 1977년 9월 5일 지구를 떠났습니다. 목성과 토성을 지난 뒤 태양에 대해 초속 약 17 km로 행성들이 도는 평면 밖으로 나아갔습니다. 2012년 8월 25일 약 122 au에서 태양권계면을 넘었는데, 이곳은 태양에서 불어오는 입자의 바람이 별 사이의 가스에 자리를 내주는 경계입니다.

NASA는 다음 이정표를 지나는 순간을 계산해 두었습니다. 2026년 11월 18일 수요일 태평양 시간 오전 2:16:07에 보이저 1호는 지구에서 259억 200만 km, 빛이 24시간 동안 가는 거리에 있게 됩니다. 사람이 만든 물체로는 처음으로 1광일 떨어지는 것입니다. 그날 아침 보낸 명령은 다음 날 아침에 닿고, 답은 그다음 날 아침에 옵니다.

전시는 NASA의 이정표를 지나는 직선 모형으로 고른 날짜의 보이저 1호 거리를 그리므로, 그날에서 멀어질수록 위치는 어림값입니다. 지구가 태양 둘레를 도는 움직임이 초속 30 km까지 더하거나 빼기 때문에, 지구에서 잰 실제 거리는 1년 동안 오르내립니다.

화성과 대화하기

화성 장면은 내행성계를 위에서 실제 거리로 보여 줍니다. 한 칸이 1 au(천문단위)이고, 날짜는 막대로 고릅니다. 행성은 보이도록 실제보다 훨씬 크게 그렸습니다. 지구와 화성을 잇는 점선이 거리와 빛 시간을 알려 줍니다.

NASA가 밝힌 범위는 두 행성이 태양의 같은 쪽에서 가까이 있을 때 5,460만 km, 약 3분이고, 화성이 태양 건너편에 있을 때 4억 20만 km, 약 22.4분입니다. 두 행성은 약 26개월마다 같은 쪽에 나란히 섭니다. 날짜 막대의 범위 안에서는 2027년 2월 20일 무렵이 가장 가까워서 화성이 약 0.68 au까지 다가오고 신호가 5.6분에 닿습니다. 가장 먼 때는 화성이 태양 뒤에 있던 2026년 초 무렵으로, 한 번 가는 데 약 20분이 걸렸습니다.

명령 보내기를 누르세요. 빛 신호가 지구를 떠나 c로 사이를 건너 화성에 닿습니다. 탐사차 보기에서 실제 크기로 그린 탐사차가 2 m 움직입니다. 답은 같은 길로 돌아옵니다. 보통 설정에서는 기다리는 시간을 몇 초로 줄이고 몇 배 빠르게 했는지 알려 주며, 실제 시간을 켜면 진짜 몇 분을 기다립니다.

탐사차가 스스로 움직이는 까닭

한 번 가는 데 최대 22분이 걸리니 누구도 탐사차를 실시간으로 몰 수 없습니다. 지구의 운전자가 사진에서 바위를 보고 멈춤을 눌러도, 명령이 닿을 때쯤 탐사차는 이미 오래전에 바위에 닿았을 것입니다. 그래서 기술자들은 하루 일을 계획하고 확인해서 한꺼번에 보냅니다. 탐사차는 움직이면서 자기 카메라로 땅을 살피고, 안전한 길을 고르고, 이상해 보이면 멈춥니다.

탐사차의 자료는 대부분 곧장 지구로 오지 않습니다. NASA의 화성 중계망은 탐사차 위를 지나는 궤도선을 써서 자료를 초당 200만 비트까지 받은 뒤 지구로 넘깁니다. 화성이 돌기 때문에 탐사차는 화성의 하루마다 약 12시간씩 지구를 볼 수 없습니다. 지연은 빛의 속도가 정하지만, 언제 대화할 수 있는지는 안테나와 전력, 두 행성의 자전이 정합니다.

약 26개월마다 화성은 지구에서 볼 때 태양 뒤로 갑니다. 태양 가까이 지나는 전파는 뜨거운 바깥 대기 때문에 흐트러지므로, 탐사 임무는 두어 주 동안 명령을 보내지 않습니다. NASA의 유인 탐사 계획 문서는 통신이 최대 약 3주 끊기고 한 번 가는 지연이 최대 약 22분이라고 봅니다.

가장 가까운 별까지

보이저를 지나면 거리가 훌쩍 늘어납니다. 태양에서 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리까지 빛은 4.25년이 걸립니다. 유럽우주국의 가이아 위성이 재서 3차 자료 공개(DR3)에 실은 시차는 1,000분의 768.07초각이고, 이것으로 4.2465광년이 나옵니다. 밝은 동반성인 알파 센타우리 A와 B는 조금 더 먼 약 4.3~4.4광년에 있습니다.

프록시마는 작은 적색왜성이라 망원경 없이는 보이지 않습니다. 맨눈으로 쉽게 볼 수 있는 가장 가까운 별은 남쪽 하늘 낮은 곳의 알파 센타우리이고, 밤하늘에서 가장 밝은 시리우스는 8.6광년 떨어져 있습니다. 첫 장면에서는 태양 둘레의 별을 실제 거리에 그렸으므로, 화면이 10광년 너머로 물러나면 태양의 이웃이 흩어진 점들로 보이고 그 사이에 빛의 공이 있습니다.

이 축척에서는 태양계 전체가 점 하나로 줄어듭니다. 해왕성의 궤도 전체가 지름 60 au이고, 4.25광년은 약 268,000 au입니다.

광년이란 무엇인가

광년은 시간이 아니라 거리입니다. 빛이 365.25일인 율리우스년 1년 동안 가는 거리로, 299,792,458 m/s × 31,557,600 s = 9.4607 × 10¹⁵ m, 약 9.46조 km입니다. NASA도 보이저의 1광일을 설명하며 이 이정표는 거리에 관한 것이라고 말합니다.

광년이 편리한 까닭은 그 숫자가 빛의 나이와 같기 때문입니다. 25광년 떨어진 별의 빛은 25년 전에 그 별을 떠났습니다. 천문학자들은 시차의 기하에서 바로 나오는 파섹(3.26광년)을 더 자주 씁니다.

광초, 광분, 광시도 같은 방식입니다. 달은 1.28광초, 태양은 8.3광분, 해왕성은 약 4광시, 보이저 1호는 2026년 11월 18일부터 1광일 떨어져 있습니다.

별까지의 거리를 재는 법

팔을 뻗어 손가락을 세우고 한쪽 눈을 감았다가 다른 쪽 눈을 감으면 손가락이 배경 위에서 움직입니다. 지구가 태양 둘레를 돌면 별도 그렇게 움직입니다. 6개월 간격으로, 서로 2 au 떨어진 두 자리에서 보면 가까운 별이 먼 별들에 대해 조금 비켜 보입니다. 그 비켜난 양의 절반이 시차입니다. 시차가 1초각인 별은 1파섹 떨어져 있고, 파섹으로 잰 거리는 1을 초각으로 잰 시차로 나눈 값입니다.

이 움직임은 아주 작습니다. 모든 별 가운데 가장 큰 프록시마의 시차도 0.768초각으로, 6 km 떨어진 동전의 폭쯤입니다. 유럽우주국의 히파르코스 위성은 1990년대 초 약 118,000개 별의 시차를 쟀고, 플로르 판레이우언이 2007년에 그 자료를 새로 정리해 발표했습니다. 2013년에 발사된 가이아는 약 18억 개 천체의 위치를 재고, 2022년의 3차 자료 공개에서 그 가운데 약 15억 개의 시차를 내놓았습니다.

이 전시의 별은 모두 스트라스부르 천문자료센터가 운영하는 SIMBAD 데이터베이스에서 가져왔습니다. 4.6등급보다 밝은 별, 약 109광년 안에서 6등급보다 밝은 별, 약 34광년보다 가까운 별을 골랐습니다. SIMBAD는 별마다 시차 값 하나를 정하고 그 출처를 밝힙니다. 여기 있는 별 대부분은 가이아 DR3 값이고, 가장 밝은 별은 히파르코스 값입니다. 아주 밝은 별은 가이아의 검출기를 넘쳐 흐르게 하기 때문입니다.

내 생일 별

무대 아래에 생년월일을 넣으세요. 전시가 내 나이를 햇수로 계산하고, 그만큼의 광년 거리에 있는 별을 찾습니다. 오늘 밤 그 별에서 오는 빛은 내가 태어날 무렵 별을 떠났습니다. 별 3개를 고르고, 별마다 거리, 정확한 내 나이와의 차이, 밝기, 맨눈으로 보이는지를 알려 줍니다. 하늘에서 보기를 누르면 오늘 밤하늘이 그 별 쪽으로 돌고 금색 표시가 붙습니다.

25살의 생일 별은 히파르코스로 25.0광년인 베가나 25.1광년인 포말하우트일 수 있습니다. 37살이라면 36.7광년의 아르크투루스입니다. 목록에는 약 5살부터 100살까지 거의 모든 나이에 맞는 별이 있습니다. 약 4살보다 어리면 답이 없습니다. 가장 가까운 별도 4.2광년 떨어져 있기 때문이고, 전시도 그렇게 알려 줍니다.

거꾸로 생각할 수도 있습니다. 내가 태어난 날 지구를 떠난 빛은 지금 내 나이만큼의 광년 밖에 있습니다. 전시는 그것이 몇 km인지도 알려 줍니다. 30살이라면 약 284조 km입니다.

연구마다 다른 별

밝은 별 가운데 몇몇은 거리를 두고 아직 의견이 갈립니다. 가이아가 잘 재기에는 너무 밝거나, 시차로 쉽게 재기에는 너무 멀거나, 둘 다입니다. 전시는 답 하나를 고르지 않고 이런 별에 따로 표시를 합니다.

오리온의 붉은 어깨인 베텔게우스는 히파르코스 시차로 약 500광년이고, 불확도가 10 %를 넘습니다. 2020년 메리디스 조이스 연구진은 별의 맥동 모형과 밝기를 함께 써서 약 550광년을 얻었습니다. 두 연구를 합치면 그 빛은 약 440년에서 640년 된 빛입니다.

백조자리의 데네브는 더 어렵습니다. 히파르코스는 약 1,400광년이지만, 2008년의 자세한 분광 연구는 약 2,600광년을 내놓았습니다. 북극성 폴라리스는 히파르코스로 약 433광년이지만, 2018년 허블 우주망원경이 희미한 동반성을 잰 값은 약 521광년입니다. 오늘 밤하늘에서 이 별들을 누르면 두 값이 함께 나옵니다.

우리은하의 중심

우리은하 한가운데에는 태양 질량의 약 400만 배인 블랙홀 궁수자리 A*가 있습니다. 그 거리는 블랙홀 둘레를 도는 별을 따라가며 쟀습니다. 2019년 GRAVITY 연구진은 유럽남방천문대 초대형망원경의 큰 망원경 4대를 하나로 묶어 8,178파섹, 불확도 0.3 %를 얻었습니다. 약 26,700광년입니다.

빛이 그곳에 닿을 무렵이면 화면이 아주 멀리 물러나 우리은하 전체가 보입니다. 그때까지 은하를 이루는 점들은 지구를 둘러싼 하늘 공에 그려져 밤하늘을 가로지르는 은하수 띠가 되어 있었습니다. 30,000광년까지 물러나면 같은 점들이 위에서 내려다본 나선 원반이 되고, 태양은 중심에서 바깥쪽으로 절반쯤 되는 자리에 있습니다. 전시의 은하는 점 46,000개로 그린 모형입니다. 팔 4개와 막대가 있지만, 모양은 지도가 아니라 대략의 그림입니다.

우리은하 중심에 가 보기를 누르면 화면이 그쪽으로 미끄러져 갑니다. 지구는 26,700광년 뒤의 이름표가 됩니다.

안드로메다와 그 너머

빛은 우리은하를 도는 작은 은하인 대마젤란은하를 49.59킬로파섹, 약 161,700광년에서 지납니다. 2019년 그제고시 피에트르진스키 연구진은 서로를 가리는 쌍별을 이용해 이 거리를 약 1% 정확도로 쟀습니다. 짝인 소마젤란은하는 약 203,700광년 떨어져 있습니다.

다음은 NASA가 250만 광년이라고 밝힌 안드로메다은하입니다. 어두운 밤이면 망원경 없이도 희미한 타원으로 보이니, 대부분의 사람이 자기 눈으로 볼 수 있는 가장 먼 천체입니다. 그 타원의 빛은 250만 년 전에 출발했습니다.

안드로메다는 다가오고 있습니다. 허블 우주망원경으로 옆 방향 움직임까지 잰 결과, 두 은하는 약 40억 년 뒤 처음으로 가까이 스쳐 지나고 나중에 합쳐질 것으로 봅니다. 빛이 이곳에 닿으면 자동 속도가 멈춥니다. 무대 아래 도감에는 더 먼 곳도 몇 군데 있습니다. 약 5,500만 광년 떨어진 M87의 블랙홀은 2019년 사건지평선망원경이 찍었고, 가장 오래된 빛도 있습니다.

가장 오래된 빛

수억 광년을 넘어가면 거리 하나로 말하기가 어려워집니다. 빛이 오는 동안 우주가 팽창하기 때문입니다. 아주 먼 은하의 빛은 일정한 시간 동안 왔지만, 그 은하는 지금 그 시간에 빛의 속도를 곱한 것보다 훨씬 멀리 있습니다. 그래서 도감은 가장 먼 두 항목에 거리 대신 빛이 온 시간을 적었습니다.

2024년 제임스 웹 우주망원경으로 확인한 JADES-GS-z14-0은 알려진 가장 먼 은하 가운데 하나입니다. 우리는 이 은하를 빅뱅 약 2억 9,000만 년 뒤의 모습으로 보므로, 그 빛은 약 135억 년 동안 왔습니다. 우주배경복사는 더 오래되었습니다. 우주가 처음 투명해진 빅뱅 약 380,000년 뒤에 나와서, 플랑크 위성이 잰 우주의 나이 약 138억 년 거의 전부 동안 오고 있습니다.

뢰머와 이오의 식

오랫동안 사람들은 빛이 가는 데 시간이 걸리는지조차 두고 다투었습니다. 첫 증거는 목성의 위성 이오에서 나왔습니다. 이오는 42.5시간마다 목성 뒤, 그 그림자 속으로 들어갑니다. 1600년대 천문학자들은 바다에서 경도를 알아내는 표를 만들려고 이 식의 시각을 쟀습니다.

1676년 파리 천문대에서 일하던 덴마크 천문학자 올레 뢰머는 지구가 목성에서 멀어지는 동안에는 식이 예측보다 늦게, 다가오는 동안에는 일찍 온다는 것을 알아챘습니다. 그는 바뀌는 거리를 빛이 건너는 데 드는 시간으로 이를 설명했습니다. 뢰머는 빛이 지구 궤도 지름을 건너는 데 약 22분이 걸린다고 어림했습니다. 실제 값은 2 au ÷ c = 16.6분입니다.

빛의 속도 재기 장면에는 태양, 지구, 목성, 이오를 올린 탁자 모형이 있습니다. 지구가 돌고 이오가 목성 그림자를 드나들며, 지구가 가장 가까울 때보다 식이 얼마나 늦게 보이는지 숫자로 나옵니다. 뢰머는 초속 몇 km라는 속도를 내놓지는 않았습니다. 천문단위의 크기 자체를 잘 몰랐기 때문입니다. 그가 보인 것은 빛에도 시간이 걸린다는 사실입니다.

브래들리의 기울어진 망원경

두 번째 실마리는 1729년에 나왔습니다. 제임스 브래들리는 용자리 별의 시차를 재려다가 훨씬 큰 1년 주기의 움직임을, 그것도 시차와 다른 방향으로 찾았습니다. 그는 이것이 지구의 움직임 때문이라는 것을 깨달았습니다. 똑바로 내리는 비도 뛰어가며 맞으면 비스듬히 오는 것처럼 느껴지듯, 지구가 별빛의 길을 가로질러 움직이면 별빛도 조금 기울어 들어오는 것처럼 보입니다. 그 빛을 받으려면 망원경을 조금 기울여야 합니다.

브래들리는 기울기의 크기로 빛이 태양에서 오는 데 8분 12초가 걸린다고 계산했습니다. 오늘날의 천문단위로 바꾸면 초속 약 304,000 km로, 실제 값과 1.5 % 안에서 맞습니다. 광행차라고 부르는 이 효과는 빛에 가까운 속도 장면에도 나옵니다. 거기서는 우주선이 너무 빨라 하늘 전체가 앞으로 몰립니다. 빛의 속도 재기 장면의 두 번째 탁자 옆에 기울어진 망원경이 서 있습니다.

피조의 톱니바퀴

땅 위에서 처음 잰 것은 1849년입니다. 이폴리트 피조는 파리 서쪽 쉬렌의 집에 등불, 유리판, 톱니바퀴를 두고, 8,633 m 떨어진 몽마르트르에 거울을 두었습니다. 등불의 빛은 유리판에서 방향을 바꿔 톱니 사이 틈으로 나가 거울까지 갔다가 돌아왔고, 다시 틈을 만나면 유리판을 지나 피조의 눈에 닿았습니다.

바퀴가 멈춰 있으면 빛은 같은 틈으로 돌아옵니다. 바퀴를 빨리 돌릴수록 돌아온 빛이 만나는 틈은 조금씩 닫혀 있습니다. 어떤 속도에서는 다음 톱니가 정확히 길을 막아 접안렌즈가 어두워집니다. 바퀴의 톱니는 720개였습니다. 빛이 갔다 오는 데는 2 × 8,633 m ÷ c = 100만분의 57.6초가 걸리고, 그동안 바퀴는 톱니 반 개, 다시 말해 1 ÷ (2 × 720)바퀴를 돌아야 합니다. 그 속도는 C ÷ (4 × 720 × 8,633) = 1초에 12.06바퀴입니다.

피조는 1초에 12.6바퀴에서 처음 어두워졌다고 적었고, 그의 숫자로 계산하면 4 × 720 × 8,633 × 12.6 = 초속 313,000 km로 약 4.5 % 큽니다. 전시에서 바퀴를 돌리며 그래프를 보세요. 1초에 12.06바퀴에서 어두워지고, 약 24바퀴에서 다시 밝아지고, 36.2바퀴에서 다시 어두워집니다. 바퀴는 실제보다 40배 느리게 그렸습니다.

마이컬슨과 산 사이의 기선

톱니바퀴 다음은 회전 거울이었습니다. 앨버트 마이컬슨은 반세기 동안 이 방법을 다듬었습니다. 1926년 그는 캘리포니아의 윌슨산에서 약 35 km 떨어진 샌안토니오산의 거울로 빛을 보내 돌아온 빛을 팔각 회전 거울로 받았고, 초속 299,796 km, 불확도 초속 4 km를 얻었습니다.

공기는 빛을 조금 늦추고 그렇게 긴 길에서는 온도도 바뀌므로, 마이컬슨과 프랜시스 피스, 프레드 피어슨은 공기를 반쯤 뺀 1마일 길이의 관 속에서 다시 쟀습니다. 1935년에 발표한 결과는 초속 299,774 km, 불확도 초속 11 km였습니다. 오늘날 보면 밝힌 불확도보다 더 많이 작았고, 측정의 오차 막대도 하나의 어림이라는 것을 보여 줍니다.

제2차 세계대전 뒤에는 전파를 쓰는 방법이 나왔습니다. 루이스 에센은 1950년 크기를 아는 금속 공동의 공진 진동수를 재서 초속 299,792.5 km, 불확도 초속 3 km를 얻었습니다. 빛의 속도 재기 장면의 측정값 그래프가 이 값들을 해마다 보여 줍니다.

재는 값에서 정하는 값으로

1972년 미국 국립표준국(지금의 NIST)에서 케네스 이븐슨이 이끈 연구진은 메탄의 선에 맞춘 레이저의 진동수와 파장을 함께 쟀습니다. 속도는 파장 곱하기 진동수이고, 그들은 초속 299,792,456.2 m, 불확도 초속 1.1 m를 얻었습니다. 이제 빛의 속도가, 당시 크립톤 빛의 파장으로 정의하던 미터 자체보다 더 정확히 알려졌습니다.

그래서 1983년 국제도량형총회는 정의를 뒤집었습니다. 미터는 빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 가는 길이가 되었습니다. 그 뒤로 빛의 속도는 재는 값이 아닙니다. 정의에 따라 정확히 299,792,458 m/s이고, 길이를 잴 때 이 값을 씁니다. 오늘 실험실이 c와 관련된 더 나은 측정을 발표한다면, 실제로는 미터를 더 잘 만드는 방법을 발표하는 것입니다.

물, 유리, 다이아몬드 속의 빛

빛은 물질 안에서 느려집니다. 그 비율이 굴절률 n이고, 굴절률이 n인 물질에서 빛은 c ÷ n으로 갑니다. 해수면의 공기는 n이 약 1.0003이라 빛이 진공보다 초속 약 80 km 느립니다. 물은 n = 1.333이라 빛이 초속 약 225,000 km로 갑니다. 용융 석영 유리는 1.4585로 초속 약 206,000 km, 다이아몬드는 2.417로 초속 약 124,000 km입니다.

유리 속에서 느려짐 장면에서는 빛 다섯 개가 3 m 길에서 함께 출발해 달립니다. 1나노초가 0.4초가 되도록 늦췄습니다. 진공에서는 3 m에 10.0나노초, 물에서는 13.3, 유리에서는 14.6, 다이아몬드에서는 24.2나노초가 걸립니다. 빛은 덩어리를 빠져나오면 다시 빨라집니다. 닳아 없어지는 것은 없습니다. 느려지는 것은 길에 있는 원자들이 빛을 받았다가 넘겨주기 때문이고, 원자를 지나면 빛은 다시 c로 갑니다.

느려지면 빛이 꺾이기도 합니다. 빛이 비스듬히 들어가면 먼저 들어간 쪽이 먼저 느려져서 빛줄기가 돌아갑니다. 새 각도는 스넬의 법칙이 알려 줍니다. 물에 45°로 들어간 빛은 32.0°로, 다이아몬드에서는 17.0°로 나아갑니다. 물질을 고르면 장면의 빨간 레이저가 그만큼 꺾입니다. 다이아몬드가 반짝이는 까닭도 높은 굴절률입니다. 안에 들어간 빛이 빠져나가지 못하고 면에서 되튕겨 나오기 때문입니다.

초속 17 m까지 느려진 빛

1999년 하버드의 레네 베스테르고르 하우 연구진은 빛을 초속 17 m, 사이클 선수보다 느리게 늦췄습니다. 절대영도 가까이 식힌 나트륨 원자 구름에 빛을 보냈는데, 두 번째 레이저가 아주 좁은 색 범위에서만 구름을 투명하게 만들었습니다. 그 범위 안에서 빛은 약 1,800만 배 느려졌습니다. 같은 연구진은 뒤이은 연구에서 빛을 완전히 멈췄다가 다시 내보내기도 했습니다.

이 실험은 어떤 속도 제한도 깨지 않습니다. 원자 사이에서 빛은 여전히 c로 가고, 빛의 에너지가 한동안 원자에 담겼다가 돌아올 뿐입니다. 물질 속 빛의 속도는 물질에 따라 거의 무엇이든 될 수 있고, 정해진 것은 진공 속 속도뿐이라는 것을 보여 줍니다. 유리 속에서 느려짐 장면의 강철 진공통에 이 볼거리가 있습니다.

물속에서 빛보다 빠르게

진공에서 c보다 빠른 것은 없습니다. 그러나 물속에서 빛은 초속 225,000 km밖에 안 되고, 입자는 그보다 빠를 수 있습니다. 전하를 띤 입자가 물질 속에서 빛을 앞지르면, 소리보다 빠른 비행기가 충격파를 내듯 원뿔 모양의 빛을 냅니다. 이것이 1937년 파벨 체렌코프가 발표한 체렌코프 복사입니다.

물속 전자는 운동 에너지가 약 0.26 MeV, 정지 에너지의 절반쯤이 되면 c ÷ 1.333에 이릅니다. 원자로 연료에서 나오는 전자는 이 값을 쉽게 넘으므로, 연구용 원자로 수조의 연료 둘레 물이 푸르게 빛납니다. 큰 검출기는 같은 빛으로 중성미자를 잡습니다. 아주 맑은 물을 채운 통 안에서 중성미자가 가끔 전자를 그만큼 빠르게 튕겨 내면, 체렌코프 빛의 고리가 중성미자가 온 방향을 알려 줍니다. 유리 속에서 느려짐 장면에서 빛나는 수조를 찾아보세요.

태양 속의 느린 빛

햇빛은 지구까지 8분에 오지만, 그 에너지는 오래되었습니다. 에너지는 태양 중심의 핵융합에서 감마선으로 생깁니다. 태양 안은 너무 빽빽해서 빛이 1 mm도 못 가서 흡수되고 아무 방향으로나 다시 나옵니다. 에너지는 엄청나게 많은 걸음의 무작위 걷기로 조금씩 바깥으로 나아갑니다.

1992년 로마스 미탈라스와 케네스 실스는 깊이에 따라 태양의 밀도가 어떻게 바뀌는지 모형을 써서 이 걷기의 시간을 계산했고, 약 170,000년을 얻었습니다. 이전 어림은 걸음 길이를 일정하다고 놓아서 더 짧게 나왔습니다. NASA의 옛 자료 페이지는 꼼꼼한 답 대부분이 10,000년에서 170,000년 사이에 있다고 적고 있습니다. 내 눈에 닿는 바로 그 광자는 표면 가까이에서 떠나기 몇 분 전에 생겼습니다. 그것이 실어 온 에너지는 약 170,000년 된 것일 수 있습니다. 유리 속에서 느려짐 장면의 작은 태양 안에 무작위 걷기가 그려져 있습니다.

빛에 가까운 속도

빛에 가까운 속도로 가면 어떨까요? 1905년 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 나에 대해 움직이는 시계는 γ = 1 ÷ √(1 − v²/c²)배 느리게 갑니다. 빛의 절반 속도에서 γ는 1.155, 0.9 c에서 2.29, 0.99 c에서 7.09, 0.999 c에서 22.4입니다.

빛에 가까운 속도 장면은 4.25광년 떨어진 프록시마 센타우리로 우주선을 일정한 속도로 보냅니다. 지구에서 여행 시간은 거리 ÷ 속도라서 0.9 c이면 4.7년입니다. 배 안에서는 γ배만큼 짧은 2.1년입니다. 0.973 c이면 승무원의 시계는 1년이 채 안 됩니다. 배에서 보면 시계에는 이상한 일이 없고, 대신 프록시마까지의 거리가 같은 γ배만큼 짧아집니다. 어느 쪽으로 설명해도 답은 같습니다.

이 장면은 개념 계산입니다. 빨라지고 느려지는 몇 년, 필요한 에너지, 배에 부딪힐 먼지는 넣지 않았습니다. 이 근처에 가 본 우주선은 없습니다. 보이저 1호의 초속 17 km는 c의 약 0.006 %입니다.

앞으로 몰리는 별

빠른 우주선에서 보면 별빛이 다르게 보입니다. 지구의 초속 30 km가 만드는 작은 기울기였던 브래들리의 광행차가 c 가까이에서는 아주 커집니다. 옆에서 올 빛이 앞에서 오는 것처럼 보이고, 하늘 전체가 가는 방향으로 몰립니다. 0.9 c에서는 진행 방향과 직각인 별이 정면에서 약 26°만 떨어져 보입니다.

색도 바뀝니다. 앞쪽 별의 빛은 파장이 짧게 눌려 더 푸르고 밝게 오고, 뒤쪽 별의 빛은 늘어나 더 붉고 어둡게 옵니다. 장면은 별마다 두 효과를 모두 그립니다. 우주선 속도를 0.999 c로 맞추면 별들이 프록시마 둘레로 밝고 푸른 고리를 이루며 모이고, 뒤쪽 하늘은 비어 가며 붉어집니다. 이 공식은 물리학자들이 가속기 속 빠른 입자에 쓰는 것과 같습니다.

주머니 속의 상대성 이론

시간 지연은 우주선만의 이야기가 아닙니다. 우주선(宇宙線)이 높은 대기에 부딪힐 때 생기는 뮤온은 멈춰 있으면 평균 100만분의 2.2초를 삽니다. c에 가깝게 움직여도 그동안 약 660 m밖에 못 가는데, 많은 뮤온이 약 15 km 높이에서 땅까지 옵니다. 1963년 데이비드 프리시와 제임스 스미스는 워싱턴산 꼭대기와 해수면에서 뮤온을 세어, 움직이는 뮤온의 시계가 약 9배 느리게 간다는 것을 알아냈습니다.

1971년 조지프 하펠레와 리처드 키팅은 원자시계 4대를 여객기에 싣고 세계를 돌았습니다. 동쪽으로 간 시계는 집에 둔 시계보다 10억분의 59초 늦어지고, 서쪽으로 간 시계는 10억분의 273초 빨라졌습니다. 속도와 중력의 효과를 함께 넣은 예측과 가까운 값입니다.

GPS는 이 두 가지에 모두 기댑니다. 20,200 km 높이의 GPS 위성 시계는 중력이 약해서 하루에 100만분의 45.7초 빨리 가고, 움직이기 때문에 100만분의 7.1초 느리게 갑니다. 합친 100만분의 38.6초에 c를 곱하면 하루에 약 11.6 km입니다. 그래서 발사 전에 위성 시계를 조금 느리게 맞춰 위치가 틀어지지 않게 합니다. 닐 애시비의 GPS 상대성 이론 해설에 이 계산이 나와 있습니다.

모형이 실제와 다른 점

빛은 지구를 중심으로 한 공으로 그렸고, 사방으로 보낸 빛이라면 이것이 맞습니다. 행성은 근사 궤도 공식으로 놓았는데, 막대로 고를 수 있는 날짜에서는 오차가 1도보다 훨씬 작습니다. 첫 장면에서는 실제 크기로, 화성 지도에서는 수백 배 크게 그렸습니다. 달의 방향은 대략입니다. 보이저 1호의 거리는 NASA의 이정표를 지나는 직선 모형에서 나오고, 방향은 어림값입니다.

별의 거리는 SIMBAD가 정한 시차 값입니다. 몇몇 밝은 별은 오차가 10 % 이상이고, 연구마다 값이 다른 별에는 표시를 했습니다. 우리은하, 안드로메다, 마젤란은하는 별 하나하나가 아니라 실제 은하 모양을 닮은 점 구름으로 그렸습니다. 거리는 잰 값이지만 모양은 대략의 그림입니다. 밤하늘 장면은 시간대로 경도를 어림합니다.

상대성 이론 장면은 가속 없는 일정한 속도를 가정합니다. 물질 속 느려짐은 상온에서 589 nm 노란빛의 굴절률을 썼고, 다른 색은 조금씩 다릅니다. 피조의 바퀴는 실제보다 40배 느리게 그렸고, 거울은 8,633 m가 아니라 9 m 앞에 그렸습니다.

둘러보기와 실험실

둘러보기 18단계는 손전등에서 시작해 달, 태양, 해왕성, 보이저 1호, 프록시마 센타우리, 베텔게우스, 우리은하 중심, 안드로메다까지 빛을 따라간 뒤, 화성 탐사차, 뢰머, 피조, 경주 길, 우주선, 밤하늘을 찾아갑니다.

무대 아래 나와 빛 칸에는 생년월일과 키를 넣습니다. 과제 12개에는 화성이 가장 빨리 답하는 날 찾기, 피조의 바퀴를 어둠까지 돌리기, 배 안에서 1년이 안 걸려 프록시마에 가기 같은 것이 있고, 별표는 브라우저에 저장됩니다. 빛 시간 도감은 내 화면부터 우주배경복사까지 46곳의 빛 시간을 적고, 무대에서 보여 주는 버튼을 붙였습니다. 숨은 볼거리 23개는 무대 위 작은 것을 누르면 카드가 열립니다. 사실은 카드는 흔한 오해 10가지를 출처와 함께 바로잡습니다.