빛의 속도에 대해 알아보자 특수상대성 이론

빛의 속도에 대해 알아보자 특수상대성 이론

흔히 c로 표기되는 진공에서 빛의 속도는 물리학의 많은 분야에서 중요한 보편적인 물리적 상수입니다.정확한 값은 초당 299792458m(약 300,000km/s 또는 186,000mi/s)로 정의됩니다.1983년 국제 협약에 의해 1미터는 시간 간격 동안 진공에서 빛에 의해 이동한 경로의 길이로 정의되기 때문입니다. ½299792458초.[Note&nbs특수상대성이론에 따르면 c는 기존의 물질, 에너지 또는 정보를 전달하는 신호가 우주를 통과할 수 있는 속도의 상한입니다.광년(光年)은 거리 단위로서, 줄리앙의 한 해에 빛에 의해 이동되는 거리로 정의됩니다.빛의 속도는 때때로 광속, 특히 공상과학 소설에서 언급됩니다.

모든 형태의 전자기 방사선은 가시광선이 아닌 빛의 속도로 이동합니다.중력파와 같은 질량이 없는 입자와 장 섭동도 진공 상태에서 이 속도로 이동합니다.그러한 입자와 파동은 관측소의 움직임이나 관성 기준 프레임에 관계없이 c에서 이동합니다.0이 아닌 정지 질량을 가진 입자는 c에 접근할 수 있지만 속도가 측정되는 기준 프레임에 관계 없이 실제로 도달할 수 없습니다.특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론에서 c는 공간과 시간을 상호 연관시키고 질량 에너지 동등성의 유명한 방정식인 E = mc에도2 나타났습니다어떤 경우에는 물체나 파동이 빛보다 더 빨리 이동하는 것처럼 보일 수 있다(예: 파동의 위상 속도, 특정 고속 천문 물체의 출현, 특정 양자 효과).우주의 팽창은 일정한 경계를 넘어 빛의 속도를 초과하는 것으로 이해됩니다.

유리나 공기와 같은 투명한 물질을 통해 빛이 전파되는 속도는 c보다 작습니다. 마찬가지로 전선케이블의 전자파 속도도 c보다 느리입니다.물질 내에서 빛이 이동하는 c와 속도 v 사이의 비율을 물질의 굴절률 n(n = c / v)이라고 합니다.예를 들어, 가시광선의 경우 유리의 굴절률은 일반적으로 1.5 정도인데, 이는 유리의 빛이 c / 1.5 200 200,000 km/s (124,000 mi/s)로 이동한다는 것을 의미합니다. 가시광선에 대한 공기의 굴절률은 약 1.0003이므로 공기중의 빛의 속도는 c보다 약 90 km/s(56 mi/s) 느리입니다.

많은 실용적인 목적을 위해 빛과 다른 전자기파가 즉각적으로 전파되는 것처럼 보일 것이지만, 장거리와 매우 민감한 측정의 경우, 유한한 속도는 눈에 띄는 영향을 미친입니다.먼 우주 탐사와 통신할 때, 지구에서 우주선으로 메시지가 전달되기까지 몇 분에서 몇 시간이 걸릴 수도 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지일 수 있습니다.별에서 보이는 빛은 수년 전에 그들을 떠났고, 먼 물체를 보고 우주의 역사를 연구할 수 있었습니다.빛의 속도는 또한 궁극적으로 컴퓨터의 CPU와 메모리 칩 사이의 데이터 전송을 제한합니다.빛의 속도는 비행 측정 시간과 함께 장거리에서 고정밀도를 측정할 수 있습니다.

올레 뢰머는 1676년 목성의 달 이오의 겉보기 운동을 연구함으로써 빛이 유한한 속도(비인시적)로 이동한다는 것을 처음 입증했습니다.그것의 속도에 대한 점진적으로 더 정확한 측정은 다음 세기에 걸쳐 이루어졌습니다.1865년 제임스 서점 맥스웰은 빛이 전자파라고 제안했고, 따라서 그의 전자기 이론에 나타나는 속도 c로 여행했습니다1905년 알버트 아인슈타인은 관성 프레임에 대한 빛의 속도는 상수이며 광원의 움직임과 무관하다고 가정했습니다그는 상대성 이론을 도출하여 그 추정의 결과를 탐구했고 그렇게 함으로써 변수 c가 빛과 전자석의 맥락 밖에서 관련성이 있다는 것을 보여주었습니다.

 

숫자 값, 표기법 및 단위

진공에서 빛의 속도는 보통 소문자 c에 의해 "정수"나 라틴 셀러리타스("변환성, 순결성"을 의미합니다.1856년 빌헬름 에두아르 베버와 루돌프 콜라우쉬는 나중에 진공에서 빛의 속도의 2배인 것으로 보이는 다른 상수에 c를 사용했었습니다.역사적으로 기호 V는 1865년 제임스 서점 맥스웰에 의해 도입된 빛의 속도에 대한 대체 상징으로 사용되었습니다.1894년 폴 드루드는 c를 현대적인 의미로 재정의했습니다.아인슈타인은 1905년 특수상대성이론에 관한 독일어 원문에서 V를 사용했으나 1907년 c로 바꾸었고, 이때쯤에는 이 V가 빛의 속도에 대한 표준적인 상징이 되었습니다

때때로 c는 어떤 물질적 매체에서 파도의 속도에, c는0 진공에서 빛의 속도에 사용됩니다공식 SI 문헌에서 보증된 이 첨자 표기법은 다른 관련 상수, 즉 진공 투과성 또는 자기 상수에 대한 μ0, 진공 허용성 또는 전기 상수에 대한 μ0, 자유 공간의 임피던스에 대한 Z와0 같은 형태를 가지고 있습니다.이 물건은 진공에서 빛의 속도만을 위해 c를 사용합니다.

1983년 이후 국제 단위계(SI)에서 빛이 진공에서 1초에 ½299792458로 이동하는 거리만큼 미터(meter)가 정의되었습니다.이 정의는 정확히 299792458m/s로 진공에서 빛의 속도를 고정합니다.치수 물리적 상수로서 c의 수치는 단위 시스템마다 다릅니다.예를 들어 제국 단위에서 빛의 속도는 대략 초당 186282마일입니다.[Note&nbs 상대성처럼 c가 자주 나타나는 물리학의 가지에서는 c = 1인 측정의 자연단위의 시스템이나 기하학적 단위 시스템을 사용하는 것이 일반적입니다. 이러한 단위를 사용하면 곱셈이나 나누기 1이 결과에 영향을 미치지 않기 때문에 c가 명시적으로 나타나지 않습니다.그것의 광초/초 단위는 생략하더라도 여전히 관련이 있습니다.

물리학의 기본적 역할

참고 항목:특수 상대성 및 단방향 빛의 속도
진공에서 광파가 전파되는 속도는 파형 발생원의 움직임과 관측자의 관성 프레임의 움직임 둘 다에 독립적입니다.[Note&nbs빛의 속도의 이러한 불변성은 맥스웰의 전자석 이론과 발광성 에테르에 대한 증거 부족에 의해 동기 부여된 후 1905년 아인슈타인에 의해 상정되었습니다. 그 이후로 그것은 많은 실험에 의해 일관되게 확인되었습니다.[Note&nbs광원의 시계와 검출기 셔울에 관한 일정한 규약 없이 광원의 일방향 속도(예: 광원에서 거울로 그리고 다시 거울로)를 측정할 수 없기 때문에 빛의 양방향 속도가 프레임에 독립적인지 실험적으로만 검증할 수 있습니다.d가 동기화되다그러나 아인슈타인의 시계에 대한 동기화를 채택함으로써 빛의 일방속도는 정의상 빛의 이원속도와 같아집니다.특수상대성이론은 모든 관성적 기준 틀에서 물리 법칙이 동일하다는 가정으로 c의 이 불변성의 결과를 탐구합니다.한 가지 결과는 c가 빛을 포함한 모든 질량이 없는 입자와 파동이 진공에서 이동해야 하는 속도라는 것입니다.[참고&nbs

γ starts at 1 when v equals zero and stays nearly constant for small v's, then it sharply curves upwards and has a vertical asymptote, diverging to positive infinity as v approaches c.
로렌츠 인자는 속도의 함수로써 γ.그것은 1시에 시작되어 v가 c에 가까워질 때 무한에 접근합니다.
특수상대성이론은 많은 반직관적이고 실험적으로 검증된 함의를 가지고 있습니다.여기에는 질량과 에너지의 동등성(E = mc2), 길이 수축(움직이는 물체 단축),[Note&nbs 시간 확장(움직이는 시계가 더 느리게 실행됨) 등이 포함됩니다.길이와 시간이 확장되는 인자 γ은 로렌츠 인자로 알려져 있으며 γ = (1 - v2/c2)로 주어집니다.−1/2 여기서 v는 물체의 속도입니다.1과 γ의 차이는 대부분의 일상적인 속도(특수 상대성이성이 갈릴리 상대성에 의해 근사치되는 경우)와 같이 c보다 훨씬 느린 속도에서는 무시해도 되지만, 상대적 속도에서는 증가하며 v가 c에 가까워질수록 무한대로 변합니다.예를 들어 시간확장계수 ∆ = 2는 빛의 속도(v = 0.866 c)의 86.6%의 상대 속도에서 발생합니다.마찬가지로 시간확장계수 ∆ = 10은 v = 99.5% c에서 발생합니다.

특수상대성이론의 결과는 공간과 시간을 스페이스타임(c와 함께 공간과 시간의 단위)으로 알려진 통일된 구조로 처리하여 요약할 수 있으며, 물리적 이론이 로렌츠 인비언스라는 특별한 대칭을 만족하도록 요구하는데, 그 수학적 공식에는 파라미터 c가 포함되어 있습니다.로렌츠 불변성은 양자 전자역학, 양자 색역학, 입자 물리학의 표준 모델, 일반 상대성 이론과 같은 현대 물리 이론에 대해 거의 보편적인 가정입니다.이와 같이 c라는 매개변수는 현대 물리학에서 어디서나 볼 수 있어 빛과 무관한 여러 맥락에서 나타났습니다.예를 들어 일반상대성이론에서는 c도 중력의 속도와 중력파의 속도라고 예측하고 있으며, 중력파의 관측은 이러한 예측과 일치해 왔습니다.비내부 기준 프레임(중력 곡선 스페이스타임 또는 가속 기준 프레임)에서 빛의 국소 속도는 일정하고 c와 동일하지만, 유한 길이의 궤적을 따라 빛의 속도는 거리 및 시간을 정의하는 방법에 따라 c와 다를 수 있습니다.

일반적으로 c와 같은 기본 상수는 스페이스타임에 걸쳐 동일한 값을 갖는다고 가정하는데, 이는 위치에 의존하지 않고 시간에 따라 달라지지 않는다는 것을 의미합니다.그러나 빛의 속도가 시간이 흐르면서 달라졌을 수도 있다는 것은 여러 이론에서 제시되어 왔습니다.그러한 변화에 대한 결정적인 증거는 발견되지 않았지만, 그것들은 현재 진행 중인 연구의 대상으로 남아 있습니다.

또한 일반적으로 빛의 속도가 등방성이라고 가정하는데, 이는 그것이 측정되는 방향에 관계없이 동일한 값을 갖는다는 것을 의미합니다.자기장 내 방출 핵의 방향 함수로서의 핵 에너지 수준에서의 방출 관측(휴즈-드레버 실험 참조)과 회전하는 광학적 공명기(공진기 실험 참조)는 가능한 양방향 음이소트로피에 엄격한 제한을 두었습니다.

속도 상한

특수상대성에 따르면 휴식 질량 m과 속도 v를 가진 물체의 에너지는 γmc에2 의해 주어지는데, 여기서 where은 위에서 정의한 로렌츠 계수입니다.v가 0일 때 γ은 1과 같아 질량-에너지 등가성에 대한 유명한 E = mc2 공식을 생성합니다.γ 계수는 v가 c에 접근함에 따라 무한에 접근하며, 질량을 가진 물체를 빛의 속도로 가속시키려면 무한한 에너지가 필요할 것입니다.빛의 속도는 양의 휴식량을 가진 물체의 속도에 대한 상한으로, 개별 광자는 빛의 속도보다 더 빨리 이동할 수 없습니다.이것은 상대론적 에너지와 운동량의 많은 시험에서 실험적으로 확립됩니다.

Three pairs of coordinate axes are depicted with the same origin A; in the green frame, the x axis is horizontal and the ct axis is vertical; in the red frame, the x′ axis is slightly skewed upwards, and the ct′ axis slightly skewed rightwards, relative to the green axes; in the blue frame, the x′′ axis is somewhat skewed downwards, and the ct′′ axis somewhat skewed leftwards, relative to the green axes. A point B on the green x axis, to the left of A, has zero ct, positive ct′, and negative ct′′.
이벤트 A는 빨간색 프레임에서 B보다 앞서며 녹색 프레임에서는 B와 동시에 진행되며 파란색 프레임에서는 B를 따릅니다.
더 일반적으로, 신호나 에너지가 c보다 더 빨리 이동하는 것은 불가능합니다.이에 대한 한 가지 주장은 동시성의 상대성이라고 알려진 특수상대성이성의 반직관적 함의에서 비롯됩니다.두 사건 A와 B 사이의 공간 거리가 그들 사이의 시간 간격에 c를 곱한 것보다 크면, A가 B보다 앞에 있는 기준 프레임, B가 A보다 앞에 있는 기준 프레임, 그리고 그것들이 동시에 일어나는 기준 프레임이 있습니다.그 결과 어떤 것이 관성 기준 프레임에 비해 c보다 빠르게 이동한다면 다른 프레임에 비해 시간적으로 역방향으로 이동하게 되며 인과관계가 침해될 수 있습니다.[Note&nbs그러한 기준 틀에서 "원인" 앞에 "효과"가 관찰될 수 있습니다.그러한 인과관계 위반은 기록된 적이 없으며, 타키오닉 안티틀폰과 같은 역설로 이어질 것입니다.