중력과 시간 에 대해 알아보는 포스팅을 하겠습니다. 중력, 올라간 것은 반드시 떨어집니다. 지구에서 이 법칙은 절대적입니다. 중력은 우리의 모든 행동을 지배합니다. 현재 중력으로부터 해방되는 길은 우주인이 되는 것뿐입니다.
중력은 우리의 몸과 형태에도 영향을 줬습니다. 지구의 어떤 현상도 중력의 영향에서 벗어날 수 없습니다. 영국의 물리학자이자 천문학자인 아이작 뉴턴은 위의 공식으로 수많은 현상을 설명해냈습니다.
그 후 수 세기 동안 뉴턴의 법칙은 인류를 발전시켰고 이는 산업혁명으로 이어졌습니다.
그러다 20세기에 등장한 또 한 명의 천재가 중력에 대한 개념을 뿌리부터 뒤흔들었습니다. 독일의 젊은 과학자 알베르트 아인슈타인은 뉴턴의 공식에 의문을 품었습니다. 뉴턴의 법칙에 모순되는 현상이 있었기 때문입니다.
위의 사진은 테니스공에 실을 매달아 지상과 수평 방향으로 돌리고 있는 사람의 모습입니다.
저 사람 머리가 태양이고 테니스공이 지구라 가정하겠습니다.
뉴턴의 법칙으로도 지구가 태양을 도는 현상은 정확히 설명할 수 있습니다. 두 물체가 서로를 당긴다는 만유인력의 법칙 덕분입니다. 하지만 무엇이 이 둘을 연결하는지는 뉴턴도 설명하지 못했습니다. 위의 사진처럼 태양과 지구가 투명 실로 연결된 것은 아니기 때문입니다. 그런데도 뉴턴의 이론대로라면 멀리 떨어진 지구와 태양은 동시에 서로를 당기고 있어야 합니다. 어떻게 중력이 텅 빈 공간을 가로질러서 다른 물체에 영향을 미칠까요?
몇 년간 이 문제를 고심하던 아인슈타인은 번쩍이는 영감을 얻습니다. 그것은 바로 물체가 자유낙하를 하면 어떻게 될까 하는 의문이었습니다.
위의 보이시는 미사일처럼 생긴 것에 센서를 달고 높은 곳에서 자유낙하를 시켰는데요. 떨어지면서 가속도가 빨간 원같이 나왔습니다. 가속도는 처음에 떨어질 때 급격히 증가하고 그 후에 떨어질 때는 0으로 일정하게 나온 것입니다.
저 미사일 모형은 지구의 중력에 이끌려서 아래 방향으로 가속하면서 떨어진 것입니다. 하지만 낙하하면서 중력이 사라지기라도 한 것처럼 가속도가 전혀 측정되지 않았습니다.
아인슈타인은 물체가 낙하할 때 중력의 영향을 받지 않는다는 것을 깨달았습니다. 낙하는 진공 공간에 떠 있는 것과 같은 것입니다. 이게 바로 아인슈타인이 세운 등가원리의 핵심입니다. 등가원리는 가속도 운동에 기인하는 겉보기의 힘과 실재하는 중력과는 같은 것으로 구별할 수 없다는 원리입니다.
이 이론의 요점은 사람이 낙하할 때 중력을 느끼지 못하는 것이 아니라 실재 무중력이 된다는 것입니다.
아인슈타인은 떨어지는 사람이 중력을 느끼지 못하는 이유는 실제로 가해지는 중력이 없기 때문이라고 했습니다. 중력이 그 사람 자체가 아니라 주변의 공간과 시간에 작용했다는 말입니다. 그걸 우리는 시공간의 기하학이라고 합니다.
아인슈타인은 중력이 두 물체 사이에 작용하는 힘이라는 개념을 버리라고 했습니다. 대신 중력을 변하는 시공간의 형태로 봐야 한다고 했습니다.
아이작 뉴턴은 공간과 시간을 독립적이고 고정된 절댓값으로 여겼습니다. 모든 자연 현상이 발생하는 무대는 3차원 공간이고 거기서 시간은 따로 분리했습니다. 시간은 어디서든 같은 속도로 흐른다고 생각했습니다. 뉴턴에 따르면 물체는 공간을 일직선으로 움직이다가 중력과 같은 힘의 영향을 받아서 결국 그 길에서 벗어나게 되는 것이었습니다.
하지만 아인슈타인은 시간과 공간이 절대적이지 않고 서로 연결돼 있다고 주장했습니다. 시공간이라는 말이 있는 것처럼 한 덩어리로 본 것입니다. 그리고 시공간은 휘어질 수 있다고 했습니다. 물질이 주변의 시간과 공간을 구부린다는 겁니다.
위의 그림은 지구가 주변의 시공간을 왜곡하는 모습을 표현한 그림입니다.
인류는 아인슈타인 덕분에 사람과 테니스공을 연결하는 투명 실 같은 존재가 아니라는 것을 알았습니다. 그 대신 지구와 같은 물체가 주변의 시공간을 왜곡시킨다고 생각했습니다. 그리고 궤도를 도는 천체는 휘어진 시공간을 최대한 일직선으로 이동한다는 사실을 알게 되었습니다. 이 부분이 아인슈타인 이론의 핵심입니다.
시간과 공간은 따로 분리할 수 없고, 따로 얘기할 수 없는 것입니다. 그래서 물질은 공간과 함께 시간도 구부립니다. 중력에 의해 시간도 구부릴 수 있다는 것은 아인슈타인의 발견 중에서도 가장 낯설었던 개념입니다.
중력이 셀수록 시간은 느리게 갑니다. 그래서 지구의 중심에서 가까울수록 시간이 늦게 갑니다. 아주 미세한 정도이지만 어쨌든 이론적으로는 그렇습니다. 이렇게 중력과 시간도 영향이 있습니다.
아인슈타인의 공간은 휘어지고, 시간은 왜곡된다는 이론은 쉬운 말은 아닙니다.
사실 1: 지구는 회전하는 타원체로 적도 부근의 중력이 가장 약합니다. 그러면 적도에서 시간은 더 빨리 흐를 것입니다.
또 적도에 있으면 영국 같은 곳에 있는 것보다 더 빨리 움직일 것입니다. 회전할 때 바깥쪽이 제일 빨리 움직이니까요.
사실 2: 아인슈타인은 움직임이 시간을 늦춘다고 했습니다. 그러니 적도에서는 시간이 느리게 갈 것입니다.
사실 1일 때는 적도에서 시간이 빨리 가지만, 사실 2에서는 적도에서 시간은 느리게 갑니다. 그래서 이 둘이 상쇄를 하여 적도나 영국이나 시간은 똑같은 속도로 흐릅니다.
우리는 중력을 통해 암흑물질이 있다는 것도 압니다. 암흑물질은 우주의 70%를 채우고 있는 물질인데 정확히 어떤 것인지는 모르는 상황입니다. 그냥 암흑물질이 있다는 것 정도만 현대과학으로 알고 있는 상황입니다. 하지만 우주를 제대로 이해하려면 이런 것들도 다 알아야 합니다.
아인슈타인은 우리가 지구에서 느끼는 중력이 시간의 지연 때문이라는 걸 깨달았습니다. 지구 표면에서 시간은 더 느리게 가니까 중력이 우리를 거기 묶어 두려는 것입니다. 물체는 낙하하려 하고 시간 흐름의 속도가 중력을 만들어내는 것입니다.
어떤 이유에서든지 자연의 물질은 시간이 느린 쪽으로 향하는 것입니다. 지구 표면과 제일 높은 고도에서 시간의 속도 차이는 100년에 1초 정도입니다.
사과가 사과나무에서 밑으로 떨어지는 이유는 시간이 가장 느리게 흐르는 곳을 찾기 위함입니다.
이상 중력과 시간에 대해 알아보는 포스팅을 하였습니다. 과학은 재밌긴 한데 어려운 분야이지요. 하지만 과학을 발전시켜야 인류는 신처럼 전능해질 수 있습니다. 과학발전을 계속하여 우리 세상에 대해 더 깊숙이 알면 좋겠습니다. 파이팅!!
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