중력에 대한 이론 변화

중력이 없었다면, 우리는 존재하지 않았을 것이다. 그것은 우리에게 지구 표면과 지구가 태양 주위를 공전하도록 하는 힘을 제공한다. 그것은 태양계의 형성에 기여했고, 태양에 있는 모든 물질들의 중력을 끌어당겨 그것을 단단히 끌어당겨서, 우리에게 열과 빛을 주는 핵융합을 가능하게 합니다. 하지만 중력은 어디에나 존재하지만, 우주에서 가장 불가사의한 힘 중 하나입니다. [중력이란 무엇인가?] 전자기력과 강하고 약한 핵력과 함께 자연의 네 가지 기본 힘 중 하나로서 중력은 매우 영향력 있는 자연 현상이다. 물질과 물건의 특성입니다. 간단히 말해서, 모든 물질은 다른 모든 물질에 끌린다. 물질이 많을수록, 그리고 물체가 서로 가까이 있을수록, 그 매력적인 힘은 더 커집니다. 전기나 자기와는 달리, 밀어내거나 끌어당길 수 있습니다. 중력은 항상 물건들을 함께 끌어당깁니다. [뉴턴의 중력 이론은 무엇이었는가?] 뉴턴은 중력이 어떻게 작용하는지에 대한 가설을 가지고 있지 않다고 말한 것으로 유명하다. 대신, 그것을 행동으로 묘사하기 위한 그의 출발점은 중력이 보편적이라는 생각, 즉 사과가 나무에서 떨어지게 한 것과 같은 것이 달을 궤도에 유지한다는 생각이었다. 이 개념, 천문학 자료 모음, 그리고 몇몇 영리한 사고 실험으로 뉴턴은 두 물체 사이의 중력에 영향을 미치는 단지 세 가지가 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 각 물체의 질량과 두 물체 사이의 거리. 비록 그가 이 형태로 그것을 쓴 적은 없지만, 그의 이론은 중력적 인력은 역제곱 법칙을 따른다는 것을 보여줄 것이다. 중력의 당김은 두 물체의 질량을 곱한 다음 두 물체 사이의 거리의 제곱으로 나누어 계산할 수 있다. 그래서 중력의 매력은 물체의 질량이 증가하거나 서로 가까워질수록 높아집니다. 이 단순한 관계는 달과 행성의 거의 모든 움직임을 설명하기에 충분했고, 나사가 아폴로 달 탐사를 위한 안전한 궤적을 계산하는데 필요한 모든 것이 될 것이다. [등가 원리는 무엇인가?] 등가 원리는 알베르트 아인슈타인이 "가장 행복한 생각"이라고 묘사한 것에 기초한다. 이는 "사람이 자유롭게 넘어지면 자신의 몸무게를 느끼지 못한다"는 것이었다. 다시 말해서, 가속과 중력은 정확히 동등하고 구별할 수 없다. 우리는 국제우주정거장에서 이런 일이 일어나는 것을 봅니다. 우주 정거장이 지구로부터 궤도 거리에서 받는 중력은 표면에서 받는 중력의 약 90%이다. 사람들이 저 위로 떠다니는 이유는 그들이 우리 행성을 향해 끊임없이 떨어지기 때문입니다. 우리는 그들이 지구 표면에 충돌할 것이라고 예상할지 모르지만, 그들은 또한 계속해서 놓치기 위해 적절한 속도로 옆으로 움직이고 있는데, 그것이 궤도에 있는 것과 관련이 있다. 등가 원리는 사람이 넘어졌을 때처럼 가속하면 몸무게가 상쇄된다는 것을 보여준다. 아인슈타인은 가속과 중력이 사실상 같은 것이라는 그의 행복한 생각에서 도약했다. 그리고 이것은 그의 일반 상대성 이론에 영감을 주었는데, 이것은 중력의 힘을 예측하고 그것이 어떻게 작용하는지를 모두 설명한다. [아인슈타인의 일반 상대성 이론은?] 아인슈타인은 원자에서 별까지의 질량을 가진 물체가 시공간을 뒤틀었다는 것을 증명하였다. 뉴턴이 결코 보여줄 수 없었던 것을 설명했던 것은 이 뒤틀림이었습니다. 왜 중력이 먼 거리에서 작동할 수 있는지 말입니다. 구슬로 둘러싸인 트램펄린 위의 농구공처럼, 더 무거운 물체들은 시공간 구조에서 더 큰 뒤틀림을 만들어내며, 근처의 물체들을 끌어당겨 구부러진 궤적으로 움직이게 한다. 하지만 더 작은 물체들도 영향을 끼친다. 우리 각자는 우리 주변의 물체들에 작은 중력을 가한다. 뉴턴과는 매우 다른 접근법을 취했기 때문에 아인슈타인은 다른 종류의 수학을 사용해야 했습니다. 그 자신은 처음에 거의 알지 못했던 수학이었습니다. 바로 곡선 공간의 수학이었습니다. 그리고 그는 중력이 자신에게 영향을 미친다는 놀라운 발견과 같이 뉴턴이 의심할 이유가 없는 다양한 2차 효과를 고려해야 했다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론 방정식은 뉴턴 방정식이 하는 모든 것을 하는데, 두 물체 사이의 인력 크기를 예측하지만, 질량이 있는 어떤 것이 공간과 시간을 왜곡하는 방식을 묘사하기 때문에, 그들은 훨씬 더 많은 것을 할 수 있다. [아인슈타인은 뉴턴이 틀렸다는 것을 증명했는가?] 절대로 그렇지 않아요. 뉴턴의 연구는 기술적이었다. 그는 관찰된 것에 간단한 수학 방정식을 맞췄다. 그의 수학은 우리에게 중력이 어떻게 작용하는지에 대해 아무것도 말해주지 않지만, 일상 사물의 행동에 대한 설명으로서, 그것은 매우 잘 작동했고 그리고 여전히 그렇다. 아인슈타인이 한 일은 우리가 중력이라고 부르는 힘의 원인이 무엇인지 이해하는데 도움을 준 것입니다. 그는 뉴턴의 방정식이 충분히 좋은 근사치가 아닌, 전형적으로 중력의 당김이 매우 강한 특정한 상황들이 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이런 경우에, 우리는 아인슈타인을 데려와야 더 정확한 수치를 얻을 수 있습니다. 아인슈타인은 또한 뉴턴의 물리학의 기본 작업에서는 상상조차 할 수 없는 예측을 하는데 유용합니다. [일반 상대성 이론에 대한 증거는?] 일반 상대성 이론에 대한 엄청난 양의 증거가 있다. 아인슈타인이 그의 이론을 생각해내기 전에, 천문학자들은 수성의 세차라고 불리는 궤도의 한 측면을 설명하려고 애썼다. 뉴턴의 방정식은 완전한 효과를 설명하지는 못했지만 아인슈타인의 연구는 그렇게 했다. 게다가, 중력이 공간과 시간의 왜곡에 의해 발생한다는 생각 또한 시험할 수 있었는데, 왜냐하면 그것은 매우 무거운 물체에 가까이 지나가는 빛이 몸이 만들어 내는 왜곡된 공간을 통과하면서 곡선 형태로 이동해야 한다는 것을 의미했기 때문이다. 이는 1919년 개기일식 때 태양 가까이에서 빛이 지나가면서 처음 관측되었으며, 그 이후 멀리 떨어져 있는 은하들이 렌즈처럼 작용하여 빛의 경로를 뒤로 구부릴 때 관측되었다. 아인슈타인의 방정식의 또 다른 예측은 거대한 물체에 가까이 있으면 시간이 느려진다는 것이다. 이것이 우리가 위성항법장치를 제공하는 GPS 위성으로부터의 신호를 수정해야 하는 이유이다. 마찬가지로, 중력 탐사선 B라고 불리는 실험은 아인슈타인이 예견했던 것처럼 회전하는 거대한 물체가 꿀 속의 회전 스푼처럼 그것과 함께 시공간을 끌고 다닌다는 것을 증명했다. [중력이 블랙홀과 무슨 상관이죠?] 아인슈타인의 이론에 대한 예측은 보통 그의 방정식의 단순화된 버전을 푸는 결과이다. 가장 오래된 것 중 하나는 모든 물질이 하나의 점, 즉 '중력 특이점'에 있는 압축 질량을 묘사했다. 나중에, 일부 노화된 별들이 중력의 당김을 견디지 못하고 스스로 붕괴하여 블랙홀을 형성한다는 것이 밝혀졌다. 블랙홀의 중력은 너무 강해서 빛조차도 빠져나갈 수 없다. 마찬가지로, 일반 상대성 이론은 우주의 구조가 팽창하고 수축할 수 있다고 예측했다. 관측과 함께, 이것은 우주가 어떻게 발전했는지에 대한 우리의 최고의 이론인 빅뱅 모델의 기초가 되었습니다. 우주의 팽창을 가속시키고 있는 것처럼 보이는 신비로운 현상인 암흑 에너지를 밝혀줄 수 있는 것은 또한 일반 상대성 이론이다. [중력파란?] 질량이 큰 물체는 공간과 시간을 왜곡시키므로 만약 그 물체가 공간을 통해 가속한다면 그것은 그 주변의 시공간에서 파문을 일으킬 것이다. 이러한 파동은 중력파라고 불리며, 안테나의 위아래로 전자를 가속하는 방식이 아니라 라디오와 텔레비전의 전자파를 생성하는 방식처럼 바깥쪽으로 움직인다. 아인슈타인이 그의 일반 상대성 이론을 개발한 직후 예측한 중력파는 항상 방대한 양의 소스로부터 생성되어야 한다. 하지만, 중력은 매우 약한 힘이고, 이것은 이 파동들을 감지하기가 매우 어렵다는 것을 의미합니다. 2015년 9월 LIGO 실험이 처음으로 중력파를 관측했을 때 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 시공간에서 엄청난 교란이 일어난 결과였다. LIGO의 탐지기는 너무 민감해서 지나가는 차에서부터 해변에서 충돌하는 먼 파도에 이르기까지 모든 진동을 없애야 한다. 중력파가 중요한 것은 그것이 아인슈타인의 이론을 증명하기 때문이 아니라 우리는 이미 그것에 대한 많은 증거를 가지고 있다. 그것은 우리에게 빛조차도 도달할 수 없는 우주의 초창기를 되돌아보며 우주를 연구하는 새로운 방법을 제공하기 때문이다. [일반 상대성이론이 모든 것을 설명하나요?] 절대 아니에요. 일반 상대성 이론은 매우 효과적이고 일상적인 물체의 행동에 대한 예측을 할 때 발을 헛디디지 않지만, 특히 블랙홀의 심장부나 빅뱅 이전의 우주를 묘사할 때 이 이론이 무너지는 몇 가지 상황이 있다. 극소수의 물리학은 양자 물리학에 의해 인상적인 정확도로 기술되지만 일반 상대성 이론과 양자 이론은 양립할 수 없다. 자연의 다른 모든 힘은 '양자화'되어 있는데, 이는 지속적으로 변화하는 양이 아니라 덩어리로 나타난다. 이 가설은 중력이 다른 힘과 일치하고 더 큰 물체에 대한 아인슈타인의 이론과 동일한 결과를 낼 수 있는 양자 중력이론을 개발하는 것이 가능해야 한다는 것이다. 지금까지 최고의 시도는 끈 이론/M 이론과 루프 양자 중력이지만, 어느 것도 아직 유용한 예측을 내놓지 못했다. [중력이 아원자 입자에 의해 야기될 수 있을까?] 그럴 가능성이 매우 높으며, 이미 중력이라는 이름을 가지고 있습니다. 양자 이론이 전자기학과 같은 힘의 전달을 나타내는 한 가지 방법은 '보손'이라고 불리는 운반체 입자의 흐름이다. 전자기학의 경우 입자는 광자이다. 각 입자는 양자화된 현상의 '양자' 즉 덩어리이다. 그래서 만약 중력이 양자효과라면, 우리는 중력자가 그것의 운반체로 존재할 것이라고 가정한다. 하지만 곧 대형 강입자 충돌기에 나타날 것이라고 기대하지 마세요. 중력자가 다른 입자와 감지할 수 있는 방식으로 상호작용할 가능성은 매우 낮아서, 현재 중력자를 발견할 수 있는 현실적으로 생각할 수 있는 실험은 없다. [반중력 같은 게 있을까?] 제가 아는 바로는 아니에요. 전자기기와는 달리 중력은 단방향 효과이다. 우리는 중력을 다른 힘으로 상쇄할 수 있습니다. 여러분은 무언가를 집어들 때마다 그렇게 합니다. 반대되는 힘이 눈에 보이지 않는 전자기일 때 특히 인상적이지만, 예를 들어 무언가가 자석 위에 떠 있을 때는 그렇지 않다. 우리는 중력으로부터 보호할 어떤 방법도 모릅니다. 중력은 모든 것을 통과합니다. 만약 우리가 중력을 그것의 궤도에서 멈출 수 있다면, 우리는 영구적인 운동 기계를 만들 수 있고 자유 에너지를 생성할 수 있을 것입니다. 물레방아의 각 패들의 동일한 면을 장벽 물질로 도장합니다. 바퀴 한쪽의 패들은 맨 면이 지구를 향하게 될 것이고, 다른 쪽의 패들은 중력으로부터 가려질 것이다. 그래서 바퀴의 한쪽만 아래로 당길 것이고, 그것은 영원히 회전할 것입니다. 반중력을 발견할 수 있는 한 가지 작은 가능성은 반물질이 일반 물질에 의해 중력적으로 반발할 수 있다는 것이다. CERN의 과학자들은 곧 이것을 시험할 수 있는 충분한 반물질을 갖게 될 것이지만, 대부분의 물리학자들은 이것이 보통의 물질과 똑같이 행동할 것이라고 생각한다.