우리는 중력 때문에 지구 상에 있는 모든 물체는 밑으로 떨어지는 것이 당연한 것으로 알고 있다. 뉴턴은 사과나무 아래에서 누워있다가 사과가 땅으로 떨어지는 것을 보고 만유 인력 법칙을 발견했지만, 현대 과학은 중력을 시공간의 곡률 이라고 설명한다.
그렇다면 중력은 무엇이고 어떻게 생기는 지에 대한 의문이 든다. 많은 과학자들이 이 질문에 답을 하기 위하여 수많은 노력을 기울였지만 아직 까지 완벽한 이론을 만들지는 못하였다. 이제부터 지금까지 알려진 중력의 세계로 들어가 보자.
|중력은 무엇인가?
일반적으로 중력은 두 물체가 서로 잡아당기는 힘으로 알고 있다. 학교에서 그렇게 배웠기 때문인데, 현대 과학에서는 과거와 같이 그렇게 간단한 표현으로 결론짓지 않는다.
고전 역학의 대 과학자 뉴턴은 만유 인력 법칙을 설명하면서 중력을 두 물체 사이에 작용하는 잡아당기는 힘이라고 말했고, 그 힘의 크기는 다음 식에 의하여 두 물체의 질량의 곱과 거리에 의하여 결정된다고 하였다.
뉴턴이 주장한 중력 법칙은 우리의 실 생활의 거시 세계에서 일어나는 현상들은 잘 설명할 수 있지만, 그 범위를 드넓은 우주로 확대하거나 또는 미시 세계인 양자의 세계로 축소할 때는 중력에 관련된 현상들을 제대로 설명할 수 없다.
그래서 많은 과학자들이 연구를 하였고 마침내 아인슈타인이 일반 상대성이론으로 기존의 중력에 관한 개념을 바꾸어 버리는 계기를 마련하였다.
현대 과학에서는 아인슈타인의 일반 상대성이론을 근거로 하여 중력을 시공간의 곡률로 해석하여 질량이 있는 물체는 주변의 시공간을 곡률(왜곡, 뒤틀림)시키며, 다른 물체가 이 곡률된 시공간 내에서 자유 낙하하거나 움직이는 것으로 설명한다.
|아인슈타인의 등가 원리(Principle of Equivalence)
등가 원리는 가속도와 중력이 물리적 현상으로서 동일하게 작용한다는 개념이다. 즉, 우주 공간에서 어떤 물체가 가속되는 경우, 그 물체가 받는 힘(관성력)은 중력과 구별 할 수 없고 동일한 효과를 나타낸다는 것이다.
또한, 이 원리는 관성과 중력 간의 관계를 강조한다. 관성은 물체가 운동을 계속하려면 외부 힘이 필요하지 않음을 나타내며, 가속 중인 관성계 안에 있는 물체(관찰자)에 작용하는 현상은 중력이 작용하는 곳에서 발생하는 현상과 같아서 구별 할 수 업다는 것다.
아인슈타인은 등가 원리를 통해 중력이 가속도와 관성을 동시에 설명 할 수 있는 것으로 해석했다.
그리고 자유낙하는 어떤 지점에서 중력에만 의해 자유롭게 떨어지는 것을 의미하며, 아인슈타인은 이것이 관성과 중력의 동일성에 따른 현상이라고 주장했다.
등가 원리는 일반 상대성 이론의 기반이 되며, 중력을 시공간의 곡률로 이해하는 데 중요한 역할을 한다. 이 이론은 뉴턴의 중력 이론을 확장하고 향상시켜, 물체의 운동과 중력의 상호 관계를 더 정확하게 설명하는 데 사용된다.
|시공간의 곡률
시공간의 왜곡은 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 설명된다. 질량이 있는 물체는 주변의 시공간을 왜곡시키는데 이 왜곡된 시공간을 중력 웰스(Gravity Wells)라고 하며, 중력 웰스는 질량이 클수록 깊고 크고 강력하게 생성된다.
하나의 물체에 의해서 중력 웰스가 발생하면 다른 물체는 이 왜곡된 시공간에서 움직이는데. 뉴턴의 중력 이론 에서처럼 물체는 중력에 의해 고정된 궤도가 아니라, 시공간의 곡률에 따라 직선 경로를 따라 움직이는 것이고 이 움직임이 우리 눈에는 아래로 떨어지는 것으로 보이는 것이다.
물체가 중력 웰스에서 움직일 때는 최단 경로를 따라 움직이게 되는데 중력 웰스의 형태에 따라 직선 경로나 원 모양의 경로도 나타날 수 있다.
시공간의 공유를 설명하는 수학적 이론에는 4차원 매니폴드(4-dimensional manifold), 메트릭 텐서(matric tensor), 아인슈타인의 필드 방정식 등 여러 가지가 있지만 여기서는 언급하지 않을 것이다.
|시공간의 곡률 증거
중력 렌즈 효과 (Gravitational Lensing): 중력 렌즈 효과는 매우 무거운 물체가 주변 시공간을 왜곡하고 빛의 경로를 곡선으로 만드는 현상으로, 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따라 중력이 시공간을 왜곡시키는 결과로 나타난다.
시공간 왜곡의 예측과 검증: 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 수많은 예측을 포함하며, 이 중 일부는 천문학적으로 관측됐다. 예를 들어, 태양 이외의 별 근처에서 빛의 경로가 중력에 의해 곡률을 가지는 것을 관측함으로써 시공간 왜곡을 검증했다.
블랙홀의 존재: 블랙홀은 중력이 시공간을 심하게 왜곡시키는 현상으로, 이론적으로 예측되었으며 관측되었다. 블랙홀 주변에서 빛이 흡수되고 중력이 매우 강하게 작용하는데, 이는 시공간 왜곡의 결과로 이해된다.
중력파 (Gravitational Waves): 중력파는 중력에 의해 생성되며, 시공간을 파동의 형태로 왜곡시킨다. 중력파는 2015년에 처음으로 관측되어 이론을 실험적으로 확인하는 중요한 증거가 되었다.
시간 왜곡: 중력장 내에서 시간이 상대적으로 더 빨리 또는 더 느리게 경과하는 현상은 시공간 왜곡의 결과이다. 이러한 현상은 GPS 시스템과 같은 기술에서 고려되며 정확한 시간과 위치를 제공하는 데 중요한 역할을 한다.
|시공간 곡률의 형태
시공간을 왜곡시키는 중력장의 형태는 중력의 원인과 주변 환경에 따라 달라진다.
지구의 중력장은 지구의 중심에서부터 방사형으로 나타난다. 이 중력장은 지구 표면에서는 물체가 아래로 떨어지는 원인으로 작용하며, 중력장은 지구의 질량과 반지름에 의해 결정된다.
태양 역시 중력장을 가지며, 태양 주위의 행성과 천체에 중력을 발생시킵니다. 이 중력장은 태양 주위를 돌고 있는 행성의 궤도를 결정한다.
블랙홀은 아주 높은 질량을 가지고 있어 중력장이 극도로 강력하다. 블랙홀 주위의 공간-시간은 극도로 곡률되어 빛조차도 블랙홀로 빨려 들어간다.
| 중력파와 중력자
중력파 (Gravitational Waves)
중력파는 질량이 움직일 때 생성되는 시공간의 곡률이 따라 전파되는 현상이다. 잔잔한 물 표면에 어떤 물체를 떨어뜨리면 물결이 사방으로 퍼져 나가는 것과 같이 중력파도 역시 물결 모양과 같은 형태로 우주 공간의 사방으로 시공간을 왜곡시키면서 퍼져 나간다.
아인슈타인은 일반상대성이론에서 중력파의 속도를 예상했다. 중력파는 질량이 없는 빛과 같이 파동의 형태로 퍼져 나가므로 그 속도가 빛의 속도와 같다고 생각했다. 그런데 2016년에 두 개의 블랙홀이 합쳐지는 과정에서 중력파의 속도가 빛의 속도와 같다는 것이 검증되었다.
이러한 중력파는 두 질량체가 서로 공전하거나 충돌할 때 발생하며, 블랙홀이 서로 가까워졌다 멀어졌다 하는 회전 운동을 하면 시공간의 공율이 발생하여 우주공간의 사방으로 퍼져 나가는 것이다.
중력자 (Graviton)
중력자는 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하려는 노력의 일환으로 제안된 가상 입자이다. 이론적으로 중력자는 중력을 전달하는 입자로 작용하며 중력을 양자역학의 범주로 가져오려는 시도이다. 그러나 아직 중력자가 발견되지는 않았으며, 양자 중력 이론은 확립되지 않은 상태이다. 중력자의 존재 여부와 양자 중력 이론은 과학계의 활발한 연구 주제 중 하나 이며, 아직 많은 미스터리가 남아 있다.
|인공 중력
현재의 과학 기술로 인공 중력울 만둘 수 있을까? 이 질문에 대한 답은 아니다 이지만 진짜 인공 중력을 대체할 수 있는 것은 만들 수 있다. 여기서 인공 중력은 특수 상대성 이론, 실제 중력은 일반 상대성 이론이다. 인공 중력은 등가 원리가 말하는 대로 원하는 범위의 공간을 일정한 가속도를 주어 운동시킴으로써 만들어낸다.
예를 들어, 우주선에 일정한 방향으로 9.8m/s2의 가속도를 가하면 우주선 바닥에는 지표면과 동일한 환경의 중력이 만들어진다. 현실적으로는, 이렇게 하면 특정 위치에서 영원히 멀어져야 하므로 일정하게 회전하면서 만들어지는 구심 가속도를 이용한다.
예를 들어, 대략 반지름 10m의 원형 우주선을 1초에 57° 정도 회전시키면 원심력에 의한 관성력으로 린공 중력을 만들 수 있는 것이다. 만일 지름이 더 큰 우주선을 회전 시킨다면 각속도를 줄여 인공적으로 중력을 만들 수 있다.
필요한 중력을 만들기 위해선 어마어마한 질량이 필요하며, 따라서 인공 중력은 그러한 상황을 회피하고자 고안된 것이다. 반대로 말하면, 원심력을 이용한 인공 중력에는 중력을 만드는 질량이 고려되지 않으며, 시공간의 곡률 또한 없다.
일반 상대성 이론에 의하면 시공간의 곡률을 만들어내는 건 오로지 질량 뿐이다. 인공 중력에서 처럼 공간에 가속도를 부여하는 방식, 즉 “좌표계의 변환”으로는 시공간에 곡률을 만들어낼 수 없다.
|양자들 사이의 중력
양자 세계에서도 중력은 작용한다. 그러나 중력은 자연에 존재하는 네 가지 기본적인 힘 중에서 가장 약한 힘이고, 미시 세계인 양자 세계에서는 그 힘의 작용이 강력, 약력, 전자기력에 비하여 거의 영향을 미치지 않는다고 알려져 있다.
양자 세계에서 중력은 거시 세계에서 작용하는 중력 현상과 다르기 때문에 일반적인 중력의 법칙으로는 설명하기 어렵다. 양자 중력을 설명하기 위해서는 중력의 양자와 개념이 필요한데, 많은 과학자들이 연구를 하고 있으나 아직 기본 이론을 개발하는 과정에 있다.
또한 블랙홀 내에서 양자 정보의 손실과 보존에 관한 논의가 있으며 많은 연구가 필요한 상황이다.
|결론
현대 과학으로 중력에 관하여 완벽한 설명을 하는 것은 불가능하다. 거시 세계화 양자 세계 동시에 만족하는 중력 이론을 만들기 위하여 많은 연구가 진행되고 있으며 시간이 지나면 반드시 밝혀질 것이라고 생각된다.
중력은 자연 현상 중에서 사람에게 그 비밀을 드러내기를 꺼리고 있으며 사람은 그 비밀을 밝혀내기 위하여 끊임없는 노력을 하고 있는 상황이다.
중력의 본질이 밝혀진다면 우주에 진출했을 때 무중력으로 인하여 발생하는 많은 것들을 해결할 수 있고 상상 속에 나오는 우주를 탐험할 수 있을 것이다.
우리가 지구에서 살아갈 수 있는 이유 중에는 중력이 있기 때문이기도 하다. 만일 중력이 없다면 우리는 움직임이 살아갈 수 없다. 따라서 중력의 고마움을 느끼며 살아가는 것도 괜찮을 듯 싶다.