뉴턴의 중력과 아인슈타인의 중력 - 네이버 블로그
뉴턴의 중력이론에 의하면 태양은 매 순간 즉각적으로 지구에 중력을 행사하고 그 중력 때문에 지구는 태양 주위를 뱅뱅 돈다는 것이다. 이때 지구 역시 ...
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### 뉴턴의 중력과 아인슈타인의 중력

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2015\. 8. 28. 14:51

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**뉴턴의 중력과 아인슈타인의 중력**

**뉴턴의 중력**

말의 힘은 얼마나 셀까?

결론적으로
성인 18명은 한 마리의 말에게 졌다. 사진은 동영상을 캡쳐한
것인데 말이 사람들을 질질 끌고 가서 간단하게 이겨버렸다.

그림처럼
말과 사람이 힘겨루기를 하였는데 말의 힘과 사람의 힘은 가운데에 있는 줄을 매개로 전달되었다고 볼 수 있다. 즉, 가운데에 있는 줄이 힘을 전달했다고 볼 수 있는 것이다.

다시 거꾸로
생각 해보자. 말과 사람이 누가 더 힘이 센지 힘을 겨루어 보려면 서로의 힘을 전달하는 매개체가 있어야
하고 이 경우에는 줄이 매개체가 되어 서로의 힘을 전달하게 되는 것이다.

바로 이
매개체에 대하여 뉴턴의 중력과 아인슈타인의 중력에서 큰 차이점이 있다.

뉴턴이
알아낸 두 물체간의 중력은 두 물체 각각의 질량에 비례하고 두 물체간의 거리의 제곱에 반비례한다. 모든
만물은 다른 모든 만물을 자기 쪽으로 끌어 당기는 힘, 즉 중력을 행사하는데, 그 중력의 크기는 두 가지 요인에 의해서 결정된다는 결론을 내린 것이다.

물질을
이루는 구성요소의 양(질량)과 두 물체 사이의 거리가 바로
중력의 세기를 결정하는 요인이었다. 뉴턴의 중력이론에 의하면 질량이 클수록 물체에 작용하는 중력은 커지며
반대로 질량이 작아지면 중력도 작아진다. 또 물체 사이의 거리가 가까울수록 중력은 커지고 거리가 멀어
질수록 중력은 작아진다. 이 중력법칙을 적용하여 우리는 야구선수가 던진 공의 궤적을 계산 할 수 있고, 지구에서 발사된 위성의 운동을 예측하는데 사용할 수 있다. 물론
이런 계산의 결과와 실제 결과는 놀랍도록 잘 일치한다.

하지만
뉴턴의 중력에서는 어떻게 그 중력이 작용하는지에 대한 설명이 없다. 즉, 중력은 그것을 전달하는 매개체에 의해 발생하는데, 그 매개체의 정체에
대해서는 밝히지 못했다는 것이다.

태양의
주위를 공전하는 지구의 예를 생각해 보자. 뉴턴의 중력이론에 의하면 태양은 매 순간 즉각적으로 지구에
중력을 행사하고 그 중력 때문에 지구는 태양 주위를 뱅뱅 돈다는 것이다. 이때 지구 역시 동일한 크기의
중력을 태양에 행사하고 있다. 그런데 여기서 어떻게 중력이 전달되는지에 대한 설명은 없다는 것이다. 그냥 중력이 전달되는 것이다.

위 사진의
왼쪽은 해머던지기 선수가 해머를 뱅뱅 돌리고 있는 모습이다. 선수가 해머를 힘껏 돌려서 줄을 놓는 순간
오른쪽 사진처럼 해머는 선수의 몸을 떠나서 멀리 날아 간다. 마치 해머를 던지는 선수는 태양, 그리고 날아가는 해머는 우리의 지구라고 생각 해 볼 수 있다. 즉, 해머가 선수의 몸을 빙빙 도는 것은 마치 지구가 태양 주위를 빙빙 돌아서 공전하는 것과 비슷하다. 지구가 과거에도 그랬고 현재도 그렇듯이 태양으로부터 멀어지지 않고 태양의 주위를 계속 빙빙 돌 수 있는 것은, 위의 해머던지기 선수의 사진에서 보면 중간에 줄이 있는 것과 같이 태양과 지구 사이에 무엇인가가 있어야 한다는
것을 알 수 있다.

불행히도 뉴턴의 중력에서는 그 무엇인가에 대한 설명을 하지 못한다.

뉴턴의
중력이론에는 또 하나의 큰 문제가 있었다. 뉴턴의 중력의 세기는 앞에서 말한 것처럼 오로지 질량과 거리에만
의존한다. 만일 지금 당장 태양이 없어졌다고 가정해 보자. 이
경우 태양과 지구 사이의 중력은 태양이 없어진 바로 그 순간 변한다고 생각 할 수 있다. 즉 태양이
사라진 영향력이 아무런 시간적인 지연 없이, 빛보다도 빨리, 태양이
없어진 바로 그 순간 나타난 것이다.

바로 이점이 아인슈타인의 심기를 건드렸다. 아인슈타인이 1905년 그의 나이
26살에 발표한 특수상대성이론에 의하면 어떤 신호도, 물체도, 영향력도 빛보다 빠를 수 없다는 것인데 뉴턴의 중력이론은 특수상대성이론을 지키지 않는 것으로 보였기 때문이다. 물론 아인슈타인의 특수상대성이론이 세상에 발표되자 뉴턴의 중력이론은 큰 위기를 맞게 되었다.

**아인슈타인의 중력**

아인슈타인은
유명한 일반상대성 이론이라고 하여 중력에 관한 대단히, 매우, 너무나도
혁신적인 아이디어를 1915년 그의 나이 36살에 발표하였는데, 중력을 상대론적으로 다루었으며 중력을 시공간의 곡률이라는 기하학적 언어로 기술하였다. 이 듣기에 언뜻 해괴 망측한 일반상대성 이론의 중력은 실험적으로도 정확하게 검증되었다.

인류는
그 동안 많은 위대한 발견을 이룩해 왔다. 그런데 돌이켜 보면 그 많은 발견들 중에는 우리가 그 동안
당연하게 생각해 왔던 것을 조금은 다른 각도에서 생각하는 것에서부터 이루어진 것들 것 많은 것 같다.

밤하늘을
바라다 보면 무수한 별들이 우주의 공간 속에 있는 것을 우리는 보아 왔다. 그 공간이라는 것은 그저
아무 것도 없는 진공 상태인 것으로 우리는 아무런 의심 없이 생각해 왔다. 그런데 우주의 공간은 우리가
생각하는 것 보다 훨씬 심오한 비밀을 간직하고 있는 것 같다.

뉴턴의 중력이든 아인슈타인의 중력이든
우주상에 많은 별들이 있고 그 별들은 서로 잡아당기는 인력이 작용함에도 불구하고 현재 우리의 우주는 점점 팽창하고 있다고 하는데, 그렇다면 별들간에 작용하는 인력보다 큰 무엇인가가, 이것을 암흑
에너지라고 부르지만, 우주의 공간에 있어야 한다. 이렇듯
우주의 공간은 더 이상 아무것도 없는 비어있는 것이 아니고 아인슈타인의 중력도 이 공간이라는 개념과 밀접하게 관련이 있다.

공간이란
것이 마치 신축성이 있는 고무나 옷처럼 변형이 가능한 것으로 상상해보자. 먼저 당구를 처 본 적이 있다면
쉽게 이해가 갈 것인데, 당구 공이 움직이는 평편한 바닥을 우주의 공간이라고 생각해 보자. 만일 그 우주 공간이 신축성이 있어서 변형이 가능하다고 할 때, 그
평편한 바닥 위에 무거운 볼링공을 올려 놓으면 바닥이 움푹 들어갈 것이다.

사진에서
가운데 커다란 붉은 공이 볼링 공이다. 그리고 하얀 공이 당구 공이다.
하얀 당구공을 볼링공 방향으로 치되 볼링공의 정 중앙에서 약간 오른쪽으로 빗나게 치면 당

구공은 볼링공을 향하여 아래 사진과 같이 이동할
것이다.

그런데
신축성이 있는 바닥 면 때문에 볼링공의 아래 부분은 움푹 들어가 있고, 하얀 당구공은 그 움푹 들어간
부분에서 붉은 볼링공 주변을 뱅뱅 돌 것이다. 이 볼링공과 당구공을 지구와 달로 바꾸어 주면 아래의
사진과 같다.

즉 달이
지구 주위를 뱅뱅 도는 공전 운동을 하는 것이다.

아인슈타인이
제안한 일반상대성이론에 의하면 질량 주위의 시공간은 질량의 영향으로 위에서 설명한 당구대의 바닥 면이 볼링공에 의하여 움푹 들어가는 것처럼 휘어진다고
한다.

중력은 뉴턴이 주장했던 것처럼 두 물체 사이의 원격 작용에 의해 작용하는 힘이 아니라 휘어진
시공간의 곡률 때문에 작용한다는 것이 일반상대성이론의 설명이다. 즉 “물질은
공간의 곡률을 결정하고, 공간은 물질의 운동을 결정한다.”라는
말로 표현 가능한 것이다.

다시 한
번 뉴턴의 중력이론을 살펴 보자. 지금 태양과 지구가 있는데 갑자기 태양이 폭발하여 사라지면 지구는
그 즉시 태양이 사라진 것을 느끼고 현재의 태양주위를 도는 타원운동을 변경해야 한다.

그런데 사실 태양빛이
지구까지 도달하는 데는 대략 8분 이상이 걸리는데 어떻게 빛보다도 빨리 태양이 폭발하여 사라진 것을
지구가 알아채고 느낄 수가 있다는 말인가? 모든 종류의 신호와 영향력은 빛보다 빠를 수가 없는데도 말이다.

사실 뉴턴은 생명이 없는 물체들이 서로 접촉하지도 않은 상태에서 서로에게 영향력을 행사 한다는 것을 이해하기
어렵다고 고백했다. 중력은 그 중력을 끈임 없이 실어 나르는 어떤 매개체에 의하여 작용한다고 생각했지만
그 어떤 매개체에 대해서는, 즉 중력이 작용하는 과정에 대해서는 명확하게 설명하지 못하였다. 한마디로 중력이 왜 작용하는지에 대해서 뉴턴은 설명하지 못했던 것이다.

아인슈타인은
뉴턴의 중력이 특수상대성의 기본 원리를 위배하므로 자신이 직접 중력이론을 만들기로 했으며 중력의 실체를 규명하기 위하여 거의 광적으로 연구에 몰두
했다.

질량이나
에너지가 전혀 없는 공간을 “평평한 공간”으로 아인슈타인은
간주했고 이는 앞서 볼링공이나 당구공이 올려져 있지 않은 깨끗한 당구대와 같은 것이다. 지난 수천년동안
우리 인류는 이 우주 공간을 “평평한 공간”으로 생각 해
왔다. 그리고 그 평평한 공간에 태양과 같은 거대한 물체가 존재한다고 하여도 “평평한 공간”에는 아무런 변화가 일어나지 않는다고 생각 해 왔다.

공간이란 것이 질량이나 에너지의 존재 여부를 감지하는 능력이 없는 무생물이므로 물체가 있다고 해서 공간의 특성이
달라질 이유가 없다고 생각한 것이다. 하지만 아인슈타인은 다른 생각을 가지고 있었다. 즉 태양과 같이 큰 질량을 가지는 물체가 우주공간에 있다면 그 태양의 질량으로 인하여 태양 주위의 공간은 휘어진다
라고 생각하였으며 따라서 우리가 사는 우주공간은 질량의 분포에 따라서 그 형태가 변하는 능동적인 공간이라는 것이다.

중요한
것은 큰 질량에 의하여 주변의 공간이 휘어지게 되는데, 만일 또 다른 물체가 접근하는 경우 그 휘어진
공간 속을 여행하게 되면서 왜곡된 공간의 영향을 받게 된다는 것이다.

예를 들어서
태양 주위의 공간은 태양의 커다란 질량 때문에 휘어져 있고, 먼 별에서 나온 빛이 그 태양 주위를 지나갈
때 그 빛은 태양 주위의 휘어진 공간 속을 지나가게 되어 빛의 이동 경로는 휘어진 공간의 영향을 받게 된다.

사실
태양주위를 지나가는 빛이 휘어진 공간의 영향을 받는 다는 것은 실험에 의해서 증명이 되었고 그 실험 결과를 유명한 신문에서 “뉴턴의 이론이 무너졌다”, “하늘에서 빛은 휘어진다, 아인슈타인의 승리” 등으로 기사를 내게 되어 아인슈타인은 일개 과학자에서
대중적인 스타가 되게 되었다.

지금까지
뉴턴의 중력과 아인슈타인의 중력을 살펴 보았다. 아인슈타인의 중력은 획기적인 아이디어를 바탕으로 이론을
밝혔으나 실상 뉴턴이 말하는 중력을 포함하고 있다.

뉴턴의 중력에서는 두 물체의 질량의 크기에 비례해서
중력의 세기가 커진다고 하였는데, 당구대 위의 볼링공을 생각해 보면 볼링공이 무거울수록 탄력이 있는
당구대는 더 깊게 휘어질 것이고 그 안으로 들어간 당구공은 더 심하게 볼링공이 만든 휘어진 공간 속을 운동하게 된다. 즉 중력이 커진 것으로 뉴턴의 이론과 같다.

또한 뉴턴의 중력은
두 물체의 거리가 멀어질수록 중력이 작아지는데, 볼링공에서 멀어 질수록 당구대의 휘어짐은 약하게 되고
따라서 볼링공으로부터 멀리 떨어져 있는 당구공은 휘어진 공간의 영향을 거의 받지 않게 되어 뉴턴의 중력의 세기는 두 물체의 거리에 반비례한다는
것과 같은 이치가 된다.

단지 아인슈타인의 새로운 개념의 중력은 뉴턴의 중력이론과는 달리 질량의 존재가
공간을 왜곡함으로써 중력이 전달되는 과정까지 규명함으로써, 즉 휘어진 우주공간이 바로 중력의 매개체라는
것을 밝힘으로써 중력에 숨어있던 최대의 미스터리를 해결한 것이다.

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