안녕하십니까? 물리학성 철심장입니다.
보통 과학자들은 국어학자들이 아니므로 과학이론이나 용어를 상당히 혼동되게 사용하는 사례가 많다,
이것은 물리학자들의 언어능력부족으로 사실 모든 이론을 수학을 통해 말하고 증명하고 수식으로 소개하다보니 과학언어인 수학에는 능하지만 실제로 언변에는 약하기 때문이라 이해는 간다,
그래도 중대한 오해를 불러일으킬 표현이나 용어는 반드시 바로잡아야한다고 본다
그 대표적 사례가 바로 매질에서의 빛의속도 문제다,
우리는 이미 중고딩에서 매질에서의 빛의 속도는 진공중에서의 빛의 속도보다 느려진다고 배웠다.
맥스웰의 이론에 의해 빛의 속도는 매질에서 유전률과 투자율사이에 저렇게 표현되며
또 아래와 같이 느려진다고도 배웠다,
n12=n2/n1=c1/c2 (c1,c2 : 매질1,2에서의 빛의 속도)
즉, 
가 1보다 크면 입사한 매질에서의 빛의 속도(
)가 굴절되어 들어간 매질에서의 빛의 속도(
보다 빠르고, 반대로 1보다 작으면 입사한 매질에서의 빛의 속도가 굴절되어 들어간 매질에서의 빛의 속도보다 느리다는 것을 알 수 있다
가 1보다 크면 입사한 매질에서의 빛의 속도()가 굴절되어 들어간 매질에서의 빛의 속도(보다 빠르고, 반대로 1보다 작으면 입사한 매질에서의 빛의 속도가 굴절되어 들어간 매질에서의 빛의 속도보다 느리다는 것을 알 수 있다그런데 상대성이론에 의해 빛의 속도는 어느속에서나 일정하고 불변하다는 절대원리를 배운적 있을 것이다.
그렇다면 어떻게 된 것일까?
대부분 이것때문에 혼동을 일으키는데
심지어 박사급들도 혼동을 일으켜 국제망신을 당하기도 하더라,,,
결론을 먼저 말하면 매질에서 빛의 속도가 느려지는 것은 빛의 속도 자체가 느려지는 것이 아니라 다만 빛의 전파속도가 느려지는 것이다(밑줄쫙~!)
이것을 모두가 혼동하고 있는 것...
이것을 이해하려면 매질에서 빛의 속도가 왜 느려지는지를 알아보면 된다,
매질에 빛이 통과할 경우는 우리가 생각하듯이 그냥 매질원자 사이를 빛이 비켜 지나가며 통과하는게 아니다!
유리같은 투명한 매질도 빛이 비춰지면 그 빛이 그냥 유리원자 사이를 통과하는게 아니라 먼저 유리표면의 원자에 흡수되어 그속의 전자를 '여기'시킨다,
그러면 유리원자속의 전자는 바로 여기되도록 받은 빛에너지를 다시 광자로 방출한다,
그러면 다시 그 옆의 유리원자가 그 빛(광자)를 받아 전자가 여기되고 그 전자가 기저상태로 돌아가며 다시 빛(광자)를 방출하고 또 그 옆옆원자가 다시 이 광자를 받아 전자가 여기되고 그러면 이 전자가 다시 광자를 방출하고,,,,
빛은 유리원자내부에서 이 짓을 하면서 전파되어 나가는 것이다,
그런데 이때 원자와 원자 사이에서 빛이 전파될때 그 빛의 속도는 진공상태에서의 빛의 속도와 동일하다!
즉 매질속에서도, 다시말하면 매질의 원자와 원자사이에서 빛의 속도는 진공상태에서의 빛의속도와 동일하다는 얘기!
즉, 매질속에서도 빛의 속도가 줄어드는 일은 없다는 말이다
다만 매질원자와 원자사이를 빛이 통과할때 이처럼 매질원자속에 흡수되었다가 방출되고 또 다시 흡수되었다가 방출되고 이 짓을 되풀이하면서 빛이 전파되어 나가기 때문에 결과적으로 이 매질을 통과하는 빛의 속도는 진공속에서의 빛의 속도보다 느려지는 것이다! 언더스탠드?
그래서 상대성이론의 광속불변과 매질에서의 빛의 속도의 느려짐이 상반되지않고 오히려 정확히 맞아 떨어지는 현상이 된다
이를 중고딩 물리교사들은 아예 모르거나, 물리학자들도 학생들의 혼동을 크게 문제시삼지않는 것이 심각한 문제다!
지금도 서울대 차 모교수님의 책에도 그냥 매질에서의 빛의 속도는 감소된다고 써있다. 아니 국내 모든 교과서에 그렇게 써있다,
이것은 오류다,
매질에서 빛의 속도가 느려지는게 아니라 매질에서 빛의 전달속도가 느려진다고 해야 맞는 말이라는 것이다
매질속에서도 원자와 원자간의 전달되는 빛의 속도는 진공속에서와 동일하다. 절대 안변한다, 다만 매질속에서 빛은 원자속에 흡수되었다가 방출되고 흡수되었다가 방출되고 이 짓을 되풀이하면저 진행하기 때문에 결과적으로 빛의 전파속도가 느려지는 것이다.
그래서 이제부터라도 교과서에는 매질속에서 빛의 속도저하라고 하지말고 매질속에서의 빛의 전달속도저하라고 수정표기해야 한다는 점을 이 연사 목놓아 부르짖는 것이다~~~!!!켁켁
깨달았느냐? 이제야 알겠느냐?
대한민국, 아니 전세계 물리교과서를 수정시키는 물리학성 철심장의 놀라운 내공~!
바로 이거시다~! ^^V
혹시 이토록 자세하게 설명해줘도 이해못하고 짠지거는 무식한 새끼들이 있을 것이므로 위키에 올려진 같은 내용을 올려본다,
빨간색부분이 내가 설명한 것과 같은 내용이다
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빛과 매질의 교차[편집]
빛이 입자나 파동으로 생각할 수 있듯, 광학에서는 파동으로 다룬다. 파동은 다른 매질에서 다른 속도로 진행한다. 예를 들어, 물을 통과할때의 속도와 공기를 통과할 때 속도에는 차이가 있다. 빛이 하나의 매질에서 다른 매질로 넘어 통과할 때, 같은 파동이 다른 속도로 진행한다. 이 과정을 다음과 같이 생각할 수 있다. 빛 파동이 투명한 물질로 들어가고 그 물질을 이루는 원자들의 전자들을 여기시킨다. 여기된 전자들은 그 고유의 빛 파동을 방출한다. 원자들 사이에서 빛은 빛의 속도(
굴절률은 빛의 전파속도 뿐만이 아니라, 굽힘각(bending angle)과 물질에 의해 전파와 굴절된 양으로 기술된다.
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철심장의 주장처럼 유리 원자들 사이에서도 빛의 속도는 진공속에서의 빛의 속도와 같은 3X10^8 m/s라고 되어 있고 그러나 유리내부에서의 전체 빛의 전파속도는 결국 2x10^8m/s로 낮아짐을 소개하고 있다,
이 정도 설명해줘도 모르는 놈은 절대 이공학 하면 안되는 놈이고...
사실 교수들도 이 사실을 모르고 혼동하는 녀석들이 즐비하더라
15년전쯤인가 어느 교수한놈이 빛을 가두어 정지시키는데 성공했다고 언론에 난리를 친 적이 있었다....
빛의 속도가 매질에서 느려지므로 매질의 굴절율을 극도로 조작하여 빛의 속도를 더 느려지게해서 아예 메질내에서 정지시켜버린다는 구성이다,,,ㅋㅋ
결국 어이없는 헤프닝으로 들어나 세계적인 망신만 당했다....ㅋㅋ
그 교수녀석이 혼동한 것이 바로 매질에서 빛의 속도 자체가 느려지는 줄로 착각한 것이다,
다시 말하지만 매질에서도 빛의 속도는 느려지지않는다,광속불변이다, 다만 빛의 전파속도가 위와같은 원리로 느려지는 뿐이다! ok?
민간핵무기개발추진위원회와 철타곤의 물리학성 철 심 장
오홋~ 그렇구나~~!!
덧글
좀더 정확한 설명은 이렇습니다:
전자기파의 phase velocity는 불변이지만 group velocity는 간섭현상에 의해 줄어들 수 있고, 그래서 전자기파의 진동하는 전기장에 의해 진동하는 전자(입자적 설명으로는 "광자에 의해 여기된 전자")에 의해 발생하는 2차적인 전자기파(입자적 설명으로는 "여기된 전자가 내놓는 광자")가 원래의 입사된 전자기파와 간섭을 일으켜, group velocity를 느리게 만든다는 것입니다.
이건 본문의 입자적인 설명과 비슷해보이지만 다릅니다.
물론 이런 설명은 파동역학(고전적이든 양자적이든)을 어느정도 이해하고 있는 사람에게나 먹히는 설명인 것이고, 파동에 대한 수학적 기술을 포함하는 파동역학은 고등학교 물리는 고사하고 대학교 일반물리에서도 잘 안 다뤄지는 형편이니, 그런 일반교양독자의 수준에는 여기-방출의 시간차 때문에 빛이 느려진다고 말하는 것도 가하다 하겠습니다만, 어쨌든 이건 아주 정확한 설명 까지는 아니라고 할 수 있죠.
대부분의 투명체는 부도체이고, 부도체는 Valence Band와 Conduction Band 사이에 그 에너지 준위를 가진 전자의 존재를 허용하지 않는 Energy Gap이 있습니다. 그리고 투명체가 통과시키는 빛은 그 Energy Gap보다 낮은 광자에너지(hf)만을 가집니다. 예컨대 실리콘은 Energy Gap이 1.2eV이기 때문에 광자에너지가 1.2eV보다 적은 적외선에 대해서만 투명합니다.
다시 말해 어떤 물질이 어떤 광자에 대해서 투명하다면, 그 물질의 전자가 그 광자의 에너지를 흡수해서 "여기"된다는 것은 양자역학적으로 허용되지 않는 말입니다. 전자가 광자를 흡수해서 "여기"되려면 그 에너지를 흡수해서 도달할 수 있는 에너지 준위가 있어야 하는데, 실제로는 오히려 그런 에너지 준위가 없을 때에만 물질이 "투명"해지는 것이니까요.
그러므로 매질 내에서 물질과 광자 간의 상호작용은 "여기-방출"이 아님을 알 수 있습니다. 일정한 상호작용을 하기는 하지만 그걸 단순히 대표적인 상호작용 방식이라는 이유로 "여기-방출"에 빗대어 설명하는 것은 조금만 깊이 들어가도 모순을 노출하게 됩니다.
"광학교과서"가 무슨 주제를 어디까지 다루는 책인지는 몰라도, 양자역학과 고체물리학을 깊숙하게 건드리지 않는 한, 빛과 물질의 상호작용을 엄밀하게 서술하는 것은 불필요할 수 있습니다.