얼마전에 베오베 간 글 중에 중력을 표현하는 실험이 있었죠.
http://www.todayhumor.co.kr/board/view.php?table=humorbest&no=854828
댓글도 몇개 달고 쭉 읽고 그랬는데, 일부 분들이 중력에 대해 햇갈려 하시는거 같아 짧은 지식이라도 나누고자 몇자 적어봅니다.
우선 이세상의 모든 힘은 크게 4가지로 분류합니다. 강한핵력, 약한핵력, 전자기력, 중력.
원심력 구심력 인력 척력 가속력 등 위의 4개 이외의 '력'은 힘의 방향성에 대한 묘사 이지 힘의 근원이 아닙니다. 힘의 근원과 상관없이 서로 당기는 힘을 인력, 미는힘을 척력 이라고 하는겁니다.
여하튼, 강한핵력,약한핵력,전자기력, 중력은 모두 '입자' 가 존재하면서 발생하는건데요, 여기서 말하는 입자는 원자 단위입니다. 물리학자들은 이 원자를 더 쪼개고 쪼개서 핵력의 존재와 전자기력의 존재를 밝혀내고, 서로 연관을 짓는 모델을 수식으로 표현해내죠.
한 단위의 원자가 있을 때 힘의 세기를 논한다면 강한핵력 >>>>>약한핵력>>>>>>>전자기력>>>>>>>>>>중력 이렇습니다. 그런데 왜? 거시적으로는 중력이 가장 영향을 많이 미치느냐??
중력을 제외한 나머지는 전부 인력(당기는 힘)과 척력(미는 힘)이 있습니다. 그리고 거리에 따라서 그 힘이 감쇄하는 비율이 급격히 떨어지는 특성이 있구요. 어마어마어마어마하게 센 힘 임에도 불구하고 더하고 빼고 하다보니 밖에서 볼땐 없는것처럼 보이는게 핵력과 전자기력 입니다. 그런데 중력은 더하고 더하고 더하고 더하기만 되기때문에 가장 약함에도 불구하고 가장 강려크하게 주변에 영향을 미칩니다.
그런데 중력은 오직 인력...당기는 힘만 있어요. 근데 왜??? 어찌하여?? 그리고 당기는 힘이 어떻게 상호 작용을 미치는걸까???
그걸 계속해서 연구중인거구요. 대통일장 이론이라는 것이 중력도 핵력/전자기력 처럼 같은 모델(수식)로 표현할 수 있지 않을까 하는 겁니다. 그러한 개념을 modeling 하기 위해 초끈(Super String)이론 이 연구중인거구요. 뭐 이부분은 물리학과 대학원 박사과정생들도 벅적벅적하면서 공부하는 부분이므로 패쓰.
그럼 저 위에 링크에 휘어지는 판은 또 무엇인가???
이제 조금 상위개념으로 들어가는데요. '힘' 이라는 것은 공간상에 존재하는 '입자' 간에 서로 영향을 주고 받는 것을 말합니다. 여기서 중요한건, '공간' 상이라는 것이죠. 여러분들이 가장 직관적으로 와닿는걸 예로 들어서 말씀드리자면, 자석이 있네요. 자석은 근처의 쇠로 된 물체를 잡아당기는 힘이 있고 같은 극끼리는 밀어내는 힘이 있습니다. 그러한 힘을 자력 이라고 부르며 힘이 미치는 범위를 자기장 이라고 하죠. 즉, 힘이 미치는 공간!!! 그게 '~~장(Field)'의 개념입니다.
이걸 조금 더 생각 해보면, 공간상에 자석이 하나 있다고 쳐요. 무중력 공간이고, 그런데 근처에 쇠구슬이 하나 있어요. 그럼 자석쪽으로 끌려가겠죠? 가까우면 가까울수록 더 세게 잡아당겨지겠죠?? 즉, 거리에 따른 영향력의 차이가 발생하겠죠??? 이걸 Potential energy 라고 볼 수 있습니다.
그런데 중력은 그럼 어떻게 작용을 하는 것이냐... 위의 링크에서처럼, 공간 자체의 변형이 발생하는것입니다. 같은 부피에 있어서 질량(질량을 정의 내리는 것도 여러가지가 있는데, 중력을 발현하게 하는 원인 정도로만 생각합시다.)이 높으면 높을수록 공간을 외곡하는 힘이 더 커지고 더 세게 잡아당겨지는것 처럼 보이는거죠.
그러한 것을 위의 링크의 실험으로 표현을 해 준 것입니다.
만약 2차원 평면에 사는 개미가 있다고 생각해봅시다. 앞뒤좌우만 볼 수 있고 위 아래에 대한 개념이 없어요. 그리고 그 2차원 평면이 링크의 판 처럼 몰랑몰랑한 재질이라고 봅시다. 눈앞에 커다란 바위가 있어요. 가까이 가면갈수록 멀어지기 어려워요. 더 큰 바위일수록 멀어지기 위해선 더 큰 힘이 필요해요.
그걸 우리가 볼땐 어떻게 보일까요? '어? 무거운 돌때문에 판이 휘어서 개미가 빠져나가질 못하고 있네, 힘겹게 올라오고 있구나.' 라는걸 알겠죠?? 즉, '판이 휘었다!' 라는걸 알 수 있겠죠?
마찬가지 입니다. 우리가 사는 3차원 공간 상에서 질량이 큰 물체가 있으면 그 주변이 질량에 의한 공간왜곡이 발생합니다. 그리고 그로 인한 중력장 내에서 인력이 작용하는 것이고, 우리 모두 그러한 지구의 중력 영향 하에서 살고 있는거구요.
만약 질량이 어마어마하게 무거운 돌이 판 위에 있어서 판이 휠대로 휘어서, 정말 빠른 속도로 움직여도 그 돌 주변을 벗어날 수 없다고 가정해봅시다. 심지어 광속마저도 그 돌 주변에서 벗어나지 못하게 된다면?? 그게 블랙홀 입니다. 탈출속도가 광속을 넘어가는거죠. (참고로, 지구의 탈출속도는 8km/s 정도 됩니다. 이거 고등학교 물리2때 풀이법 나오는데 가물가물)
그럼 화이트홀, 웜홀 떡밥은 어디서 나온거냐면, 전자기력이나 핵력은 인력과 척력이 있습니다. 그렇다면 중력도 척력이 어딘가에 있지 않을까, 반중력물질이라는게 있지 않을까, 그런것들로 뭉친 무언가가 있다면 모든걸 뱉어내는 무언가가 있지않을까?? 하는게 화이트홀의 개념이고, 만약 그게 존재한다면 블랙홀과 화이트홀은 연결되어서 먼거리도 공간왜곡에 의해 순식간에 움직일 수 있지 않을까??? 라고 상상하는게 웜홀의 개념입니다. 아직 존재한다는 증명이나 증거는 없어요. 정확히는, 못찾았어요.
아인슈타인의 업적 중 하나가, 질량에 의한 공간왜곡이 발생한다는 것을 이론적으로 계산해내었고, 이를 그당시에 있었던 계기일식때 증명해 냅니다. 중력에 의해 공간이 왜곡이 발생하여 마치 렌즈처럼 광경로가 굴절을 했고 이를 중력렌즈라고 부르는데, 이 효과에 의해 보이지 않아야 할 별빛이 일식때 관찰된거죠.
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A4%91%EB%A0%A5_%EB%A0%8C%EC%A6%88
위키피디아에 잘 정리 되어 있으니 참고하세요.
음... 글 마무리를 어떻게 해야하나.
여하튼. 귀차니즘 쩌는 분들을 위한 몇줄 요약.
1. 중력은 '질량'에 의해 공간이 왜곡이 되고 이로 인해 당겨지는 힘 (인력)이 발생하며 그러한 공간을 중력장 이라고 한다.
2. 중력의 발생 원인에 대해 핵력이나 전자기력 처럼 '입자'에 의한 것으로 추론하는게 중력자 이론이며, 질량에 의해 영향을 미치는 (중력의 영향을 받는) 범위를 중력장 이라고 한다.
3. 중력장은 공간의 왜곡에 의해 발생하는데 이는 3차원에 속해있는 우리가 감지할 수 없으므로 이를 2차원 평면으로 낮춰서 보여준게 위의 링크이다.
4. 글이 길어서 ㅈㅅ 나머지는 잡소리.
