중력(Gravity)의 관한 역사와 물리학[오펜하이머]

 

지구에는 중력(Gravity) 이라는 것이 있습니다.

중력은 인류 역사에서 가장 중요한 자연 현상 중 하나로, 이에 대한 이해는 수천 년에 걸쳐 점진적으로 발전해 왔습니다.
◇ 뉴턴의 만유인력 법칙: “두 물체 사이의 중력은 두 물체의 질량의 곱에 비례하고, 그들 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘이다.” 이는 중력의 크기를 수학적으로 설명하며, 지구의 중력에서부터 태양계 행성들의 궤도 운동까지 다양한 현상을 설명할 수 있습니다.
◇ 아인슈타인의 일반 상대성 이론: “중력은 질량에 의해 시공간이 휘어지는 현상이다.” 이 정의는 중력의 본질을 보다 근본적으로 설명하며, 고에너지 천체물리학과 우주론에서 중요한 역할을 합니다. 특히, 아인슈타인의 이론은 빛의 경로가 중력에 의해 휘어질 수 있음을 예측했고, 이는 중력 렌즈 현상으로 확인되었습니다.
 
중력에 관한 수학적 정의와 계산을 하면 다음과 같습니다.
모든 물체와 물체 사이에는 서로 잡아당기는 힘이 작용합니다.
이 힘을 만유인력(중력)이라고 하며, 그 크기는 두 물체의 질량 m1 과 m2 에 비례하고, 물체간의 거리 R 의 제곱에 반비례합니다.
이 관계를 수식으로 표현한 것이 뉴턴의 중력의 법칙입니다.
Fg = Gm1m2/r2
비례상수 G만유인력의(중력) 상수, m1 과 m2 를 각 물체의 (중력)질량이라고 합니다.
질량이 Me 이고 반지름이 Re 인 지구 표면 근처에 있는(r ~ Re), 질량 m 인 물체가 받는 지구에 의한 중력은
F = GMem/Re2 = mg  이고,
여기서 g 는 지표면 상의 물체가 받는 지구에 의한 중력 가속도로서
g = GMe/Re2 = 9.8 m/s2 입니다.
 
 
관련 인물에 대한 역사를 상세히 설명하면 다음과 같습니다.

고대와 중세: 초기 중력 개념

고대 그리스와 로마 철학

아리스토텔레스 (Aristotle, 기원전 384-322년)
  • 아리스토텔레스는 고대 그리스 철학자로서, 물체의 운동과 자연 현상을 철학적으로 설명하려 했습니다. 그는 중력을 물체가 자신의 ‘자연적 위치’로 돌아가려는 경향으로 설명했습니다. 아리스토텔레스에 따르면, 무거운 물체는 자연스럽게 아래로, 가벼운 물체는 위로 움직이며, 이는 중력의 초기 개념으로 볼 수 있습니다. 그러나 아리스토텔레스의 이론은 정량적인 분석이 아닌 질적인 설명에 기반한 것으로, 후대의 과학적 연구와는 거리가 있었습니다.

중세 이슬람 학자들의 공헌

알하젠 (Alhazen, 965-1040)
  • 알하젠은 광학과 물리학에서 중요한 연구를 수행한 이슬람 학자로, 물리적 현상을 실험적으로 탐구하려 했습니다. 그는 빛의 반사와 굴절을 연구하면서, 물리적 법칙에 대한 개념을 발전시켰습니다. 그의 연구는 중세 유럽에 큰 영향을 미쳤으며, 아리스토텔레스의 이론을 비판적으로 재검토하는 계기가 되었습니다.
○ 이븐시나 (Avicenna, 980-1037)
  • 이븐시나는 이슬람 세계의 위대한 철학자이자 의학자로, 물체의 운동과 힘에 대해 논의했습니다. 그는 힘의 개념을 발전시키며, 물체의 운동이 외부의 힘에 의해 유지된다는 관점을 제시했습니다. 이는 중력에 대한 이해를 촉진하는 데 기여했으며, 이후 유럽에서의 과학적 탐구에 중요한 영향을 미쳤습니다.

르네상스와 근대: 과학적 혁명과 중력의 정량화

○ 갈릴레오 갈릴레이 (Galileo Galilei, 1564-1642)
  • 갈릴레오는 르네상스 시대의 중요한 과학자로, 중력에 대한 실험적 연구를 통해 아리스토텔레스의 이론을 반박했습니다. 그는 피사 대성당의 기울어진 탑에서 무거운 물체와 가벼운 물체를 동시에 떨어뜨리는 실험을 통해, 모든 물체가 동일한 가속도로 떨어진다는 사실을 발견했습니다. 이는 중력에 대한 정량적 이해를 위한 토대를 마련한 중요한 발견이었습니다.
○ 아이작 뉴턴 (Isaac Newton, 1642-1727)
  • 뉴턴은 1687년 출판한 《자연철학의 수학적 원리(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica)》에서 만유인력의 법칙을 제시했습니다. 뉴턴은 모든 물체가 서로를 끌어당기며, 이 힘의 크기는 두 물체의 질량에 비례하고, 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례한다고 설명했습니다. 뉴턴의 중력 이론은 우주에서 행성의 운동, 타원 궤도, 낙하하는 물체 등의 다양한 현상을 설명할 수 있는 강력한 도구였습니다. 그의 이론은 200년 이상 과학의 중심에 있었고, 현대 물리학의 기초를 세웠습니다.

현대: 상대성 이론과 양자 중력

○ 알베르트 아인슈타인 (Albert Einstein, 1879-1955)
  • 아인슈타인은 1915년 일반 상대성 이론(General Theory of Relativity)을 발표했습니다. 이 이론은 중력을 질량이 시공간을 휘게 만드는 현상으로 설명합니다. 아인슈타인에 따르면, 질량을 가진 물체는 시공간의 구조를 왜곡시키며, 이 왜곡된 시공간을 다른 물체가 따라 움직이는 것이 중력의 본질입니다. 이는 뉴턴의 절대 공간과 절대 시간 개념을 대체하며, 빛의 휘어짐, 중력 렌즈 현상, 블랙홀과 같은 복잡한 천체 현상을 설명하는 데 사용됩니다. 아인슈타인의 이론은 특히 고중력 환경에서 뉴턴의 법칙을 대체하며, 중력에 대한 이해를 혁신적으로 바꿨습니다.

현대 물리학과 양자 중력

○ 스티븐 호킹 (Stephen Hawking, 1942-2018)
  • 20세기 후반부터 현대까지, 중력을 양자역학과 결합하려는 시도가 이어졌습니다. 특히, 스티븐 호킹과 같은 물리학자들은 블랙홀의 특성을 연구하면서, 중력과 양자역학을 통합하려는 노력을 기울였습니다. 양자 중력(Quantum Gravity)은 중력을 양자 물리학의 틀 안에서 설명하려는 시도로, 아직 완전히 정립되지 않았지만, 중력의 이해를 더욱 깊게 만들기 위한 중요한 연구 분야로 자리 잡고 있습니다. 이와 같은 연구는 우주의 기원, 블랙홀의 내부 구조, 그리고 우주론적 규모에서의 물리 법칙을 이해하는 데 필수적입니다.
 
중력에 대한 이해는 고대 그리스 철학에서 시작하여, 르네상스와 과학 혁명기를 거쳐, 현대 물리학의 중요한 축을 이루기까지 발전해 왔습니다. 이러한 과정은 과학적 사고의 발전을 잘 보여주는 예이며, 현재도 중력에 대한 연구는 계속 진행 중입니다.