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「파인만의 여섯 가지 물리이야기 - 중력」

행성의 운동

우주 안에 존재하는 모든 물체들은 다른 물체를 무조건 끌어당기는 성질이 있는데, 그 힘의 크기는 두 물체의 질량의 곱에 비례하고 둘 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.

중력에 관한 이야기는 행성의 운동을 관측하던 고대인들로부터 시작된다.

케플러의 법칙

케플러가 알아낸 첫 번째 사실은 행성들의 궤적이 타원형이며, 타원의 내부에 있는 두 개의 초점 중 한 곳에 태양이 위치하고 있다는 것이다.

케플러가 두 번째로 알아낸 사실은 태양 주위를 공전하는 행성의 속도가 일정하지 않다는 것이다. 즉, 태양과 거리가 가까울 때는 공전 속도가 빨라졌다가 태양과 거리가 멀어지면 공전속도가 느려진다.

케플러가 세 번째로 알아낸 사실은 행성의 공전 주기(T)는 궤도의 장축(α)의 3/2승에 비례한다는 사실이다.

동력학의 발전

케플러가 행성의 운동에 관한 세 개의 법칙을 발견하는 동안, 갈릴레오는 일반적인 운동의 법칙을 연구하고 있었다. 당시에 제기되었던 가장 커다란 의문은 “무엇이 행성을 공전하게 만드는가?” 하는 것이었다.

갈릴레오는 운동에 관하여 매우 놀라운 사실을 발견하게 된다. 그것은 바로 ‘관성’의 법칙이었다. 후에 뉴턴은 이 아이디어에 약간의 변형을 가하여 “물체의 운동상태를 바꾸는 유일한 방법은 그 물체에 힘을 가하는 것이다”라고 표현하였다. 뉴턴은 이러한 논리를 이용하여 “힘은 물체의 이동속도나 진행방향을 변경시킨다”는 결론을 내렸다.

뉴턴의 중력(만유인력)법칙

뉴턴은 운동의 법칙을 완벽하게 이해한 최초의 인간이었다. 그는 자신의 이해를 바탕으로 “모든 행성들의 운동을 관장하고 제어하는 것은 태양이다”라는 놀라운 결론에 이르게 되었다.

뉴턴은 신중한 사고 끝에 “모든 물체는 다른 모든 물체를 끌어당기고 있다”는 범우주적 법칙을 발견하기에 이른다.

중력법칙은 그동안 미지로 남아있었던 현상들 중 상당부분을 설명해주었다. 예를 들어, 바닷물의 조석은 지구에 작용하는 달의 인력 때문에 생기는 현상이다.

범우주적 중력이론(만유인력)

중력으로부터 새롭게 알 수 있는 사실은 이밖에 또 무엇이 있을까? 지구가 둥글다는 것은 누구나 알고 있다. 그런데 왜 하필이면 구형인가? 다른 모양이면 안 되는 이유라도 있는가? 이것도 바로 중력 때문이다. 중력은 모든 것들을 서로 끌어당기게 하고, 당기는 힘은 거리에 따라 변하기 때문에 같은 거리에 있는 동일한 물체들은 중력의 크기가 같다.

중력의 법칙으로부터 알 수 있는 또 다른 현상으로는 목성과 같이 큰 행성들과 그 주변을 공전하는 위성들을 들 수 있다.

- 구형성단, 은하 

캐빈디쉬의 실험

중력은 방대한 영역에 걸쳐 작용하는 힘이다. 그러나 두 개의 물체 사이에 힘이 작용한다면, 우리는 그 힘의 크기를 측정할 수 있어야 한다. 중력 자체가 너무 약한 힘이기 때문에 안타깝게도 측정이 쉽지가 않다. 이 현상을 눈으로 확인하려면 완전 진공상태를 유지해야하고 전기전하의 발생을 차단하는 등 매우 세심한 주의가 필요하다. 이런 방법을 이용하여 중력을 최초로 측정한 사람은 캐빈디쉬이다. (섬유의 뒤틀림 정도를 측정)

중력이란 무엇인가?

뉴턴 이후 어느 누구도 중력이 생기는 원인을 시원하게 설명하지 못했다.

중력과 다른 힘들 사이의 관계에 대하여 생각해 보자. 지금까지 알려진 바에 의하면 다른 힘으로 중력을 설명하는 방법은 존재하지 않는다. 중력은 전기력 때문에 생기는 것도 아니며, 다른 어떤 힘을 동원한다 해도 중력의 존재를 설명할 수는 없다. 따라서 많은 물리학들은 여러 가지 힘들을 하나로 통일하는 통일장이론을 연구하고 있다.

중력과 상대성이론

300여 년 동안 물리학계를 평정해왔던 뉴턴의 중력이론에 종지부를 찍은 것은 그 유명한 아인슈타인의 상대성이론이었다. 뉴턴의 중력이론에 의하면, 중력이 전달되는 데에는 시간이 전혀 소요되지 않는다. 그러나 아인슈타인은 상대성이론을 연구하는 과정에서 ‘어떤 물체건, 신호건 간에 빛보다 빨리 이동할 수는 없다’는 대 원칙을 발견하였으며, 제 아무리 맹위를 떨치는 중력이론이라 해도 여기서 예외가 될 수는 없었다.