1. 중력이란 무엇인가?

중력은 우주의 네 가지 기본 상호작용 중의 하나이다. 이 목차는 이 중력의 비고전적인 서술인 상대성 이론에 대해 다룬다. 상대성 이론에 대한 이해는 현재 천문학의 최전선에서 다루는 주요 객체들인 블랙홀, 펄사, 퀘이사, 항성, 그리고 우주론 등의 이해에 필수적이다. 상대성 이론은 또한 행성 단위에서 발생하는 자그마한 오류들을 바로잡아 현대의 통신기술의 기둥을 떠받치고 있다. 네 가지 기본 상호작용 중의 하나로써, 중력은 모든 상호작용을 아우르는 최후의 공식 -모든 것의 이론-의 서술에 필수적인 상호작용이며, 상대성 이론은 이 최후의 답을 얻기 위한 주요한 열쇠 중 하나이다.

 

중력에 대한 연구는 두 가지 분파로 나뉜다: 거시적 단위의 중력과 미시적 단위의 중력에 대한 연구는 그 방법론부터 큰 차이가 난다. 이 목차는 오로지 상대론적으로 접근 가능한 거시적, 그리고 천문학적인 단위의 중력에 대해 다루며, 이른바 양자 중력으로 불리는 미시적 규모의 중력과 그와 밀접한 관련이 있는 빅뱅 우주론에 대해서는 다루지 않는다. 

 

중력은 네 가지 주요한 특징을 지닌다. 첫째로, 중력은 질량을 가진 물체라면 무조건 작용한다. 땅바닥을 기어다니는 지렁이부터 은하를 집어삼키는 블랙홀까지 중력은 언제나 일정한 규칙을 두고 작용한다. 둘째로, 중력은 차폐되지 않는다. 중력은 오로지 인력으로써 작용하며, 이를 상쇄할 수 있는 척력 또는 반중력은 존재하지 않는다. 셋째로, 중력은 공간 전체에 걸쳐 작용하는 힘이다. 첫 번째 특징과 맞물려, 온 우주의 물질은 중력으로 이어져 있다. 넷째로, 중력은 약하다. 나머지 세 가지의 기본 상호작용에 비교했을 때, 중력은 그 강도가 놀라울 정도로 작은 편이다. 리처드 파인만은 "중력은 약하다. 사실, 빌어먹게 약하다."라고 말했다.

 

이 네 가지 특징은 중력으로 하여금 우주의 거대구조를 지탱하는 거인으로써 존재하게 하면서, 또한 그것이 우주 전체를 불의 공으로 찌그러뜨리는 것을 막아준다. 전자기력, 약력, 그리고 강력은 이러한 역할을 수행하지 못하며, 미시 세계의 균형을 맞추는데 노력한다. 중력에 대한 이해는 우주의 구조에 대한 보다 더 근본적인 이해를 가져올 수 있으며, 중력 이론의 발전이 천문학의 발전임을 보여준다. 

 

중력에 대한 최초의 서술은 아이작 뉴턴의 법칙에서 비롯된다. 뉴턴에 의하면, 중력은 두 질량을 가진 물체를 끌어당기는 힘으로써 다음과 같이 정의된다.

 

$$ \vec{F}_{G}=G\frac{m_{1}m_{2}}{\vec{r}^{2}} $$

2.1.1.1. 뉴턴 중력

 

뉴턴 중력의 가장 주요한 특징 중 하나는 비국소성이다. 중력의 크기는 멀어질수록 0에 수렴하며, 모든 공간에 걸쳐 즉각적으로 전달된다. 

 

1905년에 발표된 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 이러한 정보의 비국소적이고 즉각적인 전달은 불가능하다고 밝혔다. 모든 정보는 빛의 속도 이하로 전달되기 때문에, 중력 역시 빛의 속도 이하로 전달되어야 한다. 따라서 뉴턴의 중력은 실제 중력의 근사에 불과함이 밝혀졌다.

 

1915년에 발표된 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 규명했으며, 물질의 분포가 시공간을 휘어지게 하는 근원임을 확인하였다. 따라서, 중력은 다른 상호작용과 다르게 기하학적 결과물임을 증명했다. 이는 인류의 과학사에서 다시는 찾아보기 힘들 거대한 물리적 진보이며, 아인슈타인의 연구 방식은 후대 과학자들에게도 가장 우수한 모범 중 하나가 되었다. 이 목차에서는 이 아인슈타인 중력을 자세하게 해부하며, 상대론을 규명할 것이다.