정확한 항해도에 대한 요구가 광속의 속도 측정 실험으로 이어지다

위치를 알기 위한 위도와 경도

1670년대에 파리 천문대의 천문대장을 맡았던 이탈리아의 천문학자인 조반니 도메니코 카시니는 목성의 위성과 토성의 위성을 관측하는 등, 천체 관측에 있어서 큰 공적을 남겼습니다. 이 시대는 유럽 국가들이 해외 진출을 한 대항해시대가 막바지에 이르렀을 무렵이었습니다. 많은 신항로가 발견되었고 활발한 무역이 이루어지게 되면서, 배의 안전한 항행이 요구되게 되었으며, 이를 위해서는 정확한 지도가 필요성하게 되었습니다. 그리고 이 지도를 적절하게 이용하기 위해서는, 주위에 아무것도 없는 망망대해에서 자신의 위치를 ​​알기 위한 남북을 위치를 나타내는 위도와 동서의 위치를 ​​나타내는 경도를 정확하게 알아야 합니다. 남북의 위치를 ​​나타내는 위도는, 수평선 혹은 수평선과 태양이나 북극성이 이루는 각도로부터 비교적 간단하게 구할 수 있었습니다. 또한, 동서의 위치를 ​​나타내는 경도를 구하기 위해서는, 기준의 위치와 자신이 존재하는 위치의 시차를 알아야 합니다. 그러나 당시에는 정확한 시계가 없었기 때문에 경도를 정확하게 구할 수 없었습니다. 따라서 어떻게 정확하게 경도를 구하는지가 정확한 지도를 만드는 데 중요한 열쇠가 되었습니다. 두 지점의 시차를 알면 경도를 구할 수 있는 원리에 대하여 생각해 봅시다. 배가 출항지에서 태양이 남중하는 정오에 시계를 12:00에 맞추어 출항했다고 합시다. 배가 어느 지점에 도달했을 때, 태양이 남중하는 정오에 시계를 보면, 시간은 12:00으로부터 어긋나 있을 것입니다. 이 시간의 어긋남으로부터 출항지와 그 지점의 시차를 구할 수 있습니다. 지구는 24시간에 1회전하고 있으므로, 1시간당의 경도는 15도가 됩니다. 그러므로 출항지와의 시차를 알면 출항지에서 몇 도 떨어진 곳에 있는지 알 수 있으므로 경도를 구할 수 있습니다. 현재 경도의 기준이 되고 있는 것은 영국의 그리니치 천문대입니다. 그리니치 천문대에서 정오에 12:00에 맞춘 시계를 일본의 효고현 아카시시에 있는 아카시 플라네타륨에서 정오에 보면, 시계는 3:00을 나타냅니다. 즉, 시계가 9시간이 지연된 것을 알 수 있습니다. 이것은 일본의 시간이 그리니치 천문대의 시간보다 9시간 빠른 것을 의미합니다. 시차는 +9시간이므로, 아카시시의 위도는 15도×9시간이므로 동경 135도라고 합니다. 한국도 일본과 같이 아카시 플라네타륨을 기준으로 사용하고 있습니다.

경도를 찾는 방법을 제시한 갈릴레오

옛날에는 유럽의 많은 나라들이 자국의 천문대를 기준으로 한 정확한 지도를 만들기 위해, 상품을 내걸고 경도를 정확하게 측정하는 방법을 찾고 있었습니다. 이 상품을 목적으로 많은 천문학자가 경도를 측정하는 방법을 연구했습니다. 이탈리아의 갈릴레오 갈릴레이는 1610년에 자작의 망원경으로 목성의 4개의 위성을 발견하고 있습니다만, 목성의 위성의 식(위성이 목성의 뒤편에 숨는 현상)은 규칙적으로 일어나기 때문에 세계의 어느 곳에서나 확인할 수 있는 표준 시계로 사용할 수 있다고 생각하고, 이 방법으로 경도를 측정하는 방법을 제안하고 있습니다. 그러나 이 방법으로 경도를 구하기 위해서는 상세한 관측 데이터가 필요했습니다. 이러한 갈릴레오의 경도를 찾는 방법은 나중에 카시니에 의해 실현되었습니다. 카시니는 상세한 관측 데이터와 천체력을 이용하여 기준이 되는 지점과의 시간차를 구할 수 있어 경도차를 계산할 수 있게 되었습니다. 그러나 이 방법은 위성 관측에 시간이 걸린다는 단점이 있었습니다. 따라서 이 방법은 지상에서 경도를 추구하는 목적에는 사용할 수 있었지만, 해상에서 배가 있는 위치의 경도를 구하는 목적으로는 사용할 수 없었습니다. 또한 상세한 관측 데이터를 얻으면서 목성 위성의 식이 시작되는 시간이 계절에 따라 다르다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 계절에 따라 경도가 바뀌어 버리는 것을 알았습니다. 그러나 카시니는 그 원인을 찾아내지 못했습니다.

광속이 유한함을 입증한 뢰머

1672년 덴마크의 천문학자 올레 크리스텐센 뢰머가 파리 천문대에 초청되어 천문 연구를 하였습니다. 당시에는 빛의 속도가 무한하다고 생각되었지만, 뢰머는 목성의 위성의 식이 시작되는 시간이 계절에 따라 달라지는 것을 보고, 빛의 속도가 유한하고 결론을 내렸습니다. 그는 1676년 파리 과학 아카데미의 기관지에 '빛의 운동의 증거'라는 논문을 발표하고 있습니다. 이 논문에서 그는 계절에 따라 목성의 위성의 식이 시작되는 시간이 어긋나는 것은 광속이 유한하고, 위성에서 지구까지 빛이 오는 시간이 계절에 따라 변동하기 때문이라고 결론지었습니다. 이 현상 자체는 카시니도 알고 있었지만, 카시니는 광속은 무한대라고 하는 고정관념에 사로잡혀 있었기 때문에, 시각의 어긋남의 원인을 찾아낼 수 없었습니다. 카시니는 뢰머의 결론을 인정하지 않았지만, 영국의 물리학자 아이작 뉴턴과 네덜란드의 물리학자 크리스티안 호이겐스는 뢰머의 생각을 지지했습니다.