중력에 관해 알아보자

오늘은 중력에 관하여 알아보도록 하겠다.

 

중력(gravity)은 질량을 가진 두 물체 사이에 작용하는 힘을 뜻하며, 질량을 가진 모든 물체 사이에 작용하는 만유인력을 말한다. 현재까지, 알려진 자연계의 네 가지 힘 중에서는 가장 약하며, 유일하게 인력만 작용한다.

 

뉴턴의 중력 이론

뉴턴은 질량을 가지는 두 물체 간의 거리가 일 때, 두 물체 사이에 작용하는 중력의 세기에 관하여 중력 이론을 제시하였다.

 

질량으로부터 거리만큼 떨어진 질량에 의한 인력으로 인하여 나타나는 가속도는 두 물체 사이에 작용하는 힘을 제곱미터로 나누어 주면 되고, 가속도는 지구의 인력에 의한 중력이 된다는 이론을 가지고 있다.

 

뉴턴은 ‘프린키피아’에 중력 이론을 소개하였다. 이는 천체의 물리학 운동과 지표면의 낙하 운동을 통합한 이론을 말한다. 이 이론은 케플러의 제3 법칙을 설명할 수 있는 이론이다.

 

만유인력 에너지는 중력 위치 에너지의 확장형으로서 만유인력으로 인하여 가지는 에너지를 말하며, 식은 참조하지 않았다.

 

식에서 붙는 (-) 기호는 두 가지 설명이 가능한데 하나는 무한원을 원점으로 삼아 내려오는 것이기 때문에 그렇다는 것과 무한대에서 지표로 적분하였기 때문에 (-) 가 추가되었다는 것이다.

 

아인슈타인의 일반 상대론

현대 물리학에서 뜻하는 중력은 아인슈타인의 일반 상대론으로 귀결된다. 이 이론은 관성 질량과 중력 질량이 같다는 관찰인 등가 원리를 가정하면서 시작한다. 일반상대성이론에서는 중력을 시공의 곡률로 인한 현상으로 간주한다. 약한 중력장의 경우, 일반상대성이론은 뉴턴의 중력 이론으로 수렴한다. 이 같은 경우 아인슈타인방정식에 대한 슈바르츠실트 해가 슈바르츠실트에 의해 아인슈타인에게 서신으로 제안되었던 역사가 있다.

 

중력과 천문학

뉴턴의 중력 법칙의 적용은 우리 태양계 내의 행성에 관한 더 세밀한 정보들을 습득하게 했다. 태양의 질량이나 퀘이사의 정보, 심지어 암흑물질의 존재 또한 뉴턴의 중력 법칙을 통해 추론된 것이다. 우리가 직접적으로 행성들 또는 태양을 탐사하지는 않았지만 우리는 그 행성들의 질량을 알 수 있다. 이와 같은 질량은 측정된 궤도의 특징에 뉴턴의 중력 법칙을 적용함으로써 얻은 것이다. 우주에서 물체는 중력의 작용에 의해 자신의 궤도를 유지한다. 행성은 항성을 돌고, 항성은 은하계의 중심을 돌고, 은하는 성단의 질량중심을 돌고, 성단은 초은하단을 돌고 있다. 다른 물체에 의해 한 물체에 작용하는 중력은 두 물체의 질량의 곱에 정비례하고, 둘 사이의 거리 제곱에 반비례한다.

 

양자 중력

양자장론에서는 모든 힘을 어떤 매개하는 입자로 설명한다. 여기서, 중력은 스핀이 2인 입자인 중력자가 매개하게 된다. 중력자의 스핀이 짝수이기 때문에 중력은 인력만 존재하고, 척력은 존재하지 않는다. 또 중력자는 질량을 가지지 않아서, 중력은 그 영향 거리가 무한하다. 그러나 일반 상대론을 양자화하여 얻어지는 이론은 재규격화할 수 없어서, 단지 효과적 장론(effective field theory)으로서의 가치를 가진다.

 

오늘날 중력을 양자론으로 설명하려는 여러 양자 중력 이론이 있는데, 고리 양자 중력(LQG)과 끈 이론이 그 대표적인 예이다.

 

중력의 속도

2012년, 중국의 한 연구팀은 보름달과 초승달이 뜨는 시기 동안 중력의 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 증명해주는 것처럼 보이는 지각 조석의 위상지연을 측정했다고 발표했던 이력이 있다. 이것은 만약 태양이 갑자기 사라진다면, 지구는 8분 동안 궤도를 선회할 것이고 빛 또한 8분 동안 지구가 궤도를 움직인 거리만큼 이동함을 알아냈다.

 

중력파

중력파는 질량을 가진 물체가 가속운동을 할 때 생기는 중력의 변화가 시공간을 전파해 가는 시공간의 잔물결(space time ripple)을 말한다. 아인슈타인이 1916년 자신의 일반상대성이론으로부터 파동방정식을 유도하여 중력파의 존재를 예측하였다.

 일반상대성이론에서 중력파는 시공간의 곡률이 변화하는 상황에서 생긴다. 태양계에 의한 중력파는 현재 기술로써 측정하기에는 너무 작다. 하지만, 중력파는 쌍성 펄 사계의 시간이 지남에 따른 에너지 손실이 보여주다시피 간접적으로 관찰되고 있다. 중성자별의 합병이나 블랙홀의 형성이 측정 가능한 양의 중력파를 만든다고 믿어지고 있다. 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 같은 중력파 관측소는 이 문제를 연구하기 위해 설립되었다. 2016년 2월 12일 (LIGO에서) 13억광년 떨어진 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 발생한 중력파(태양 질량의 3배)가 관측되었다.