중력

Question: 일반상대성이론에서 중력파는 시공간의 곡률이 변화하는 상황에서 생기게 하나요?

중력(重力, )은 질량을 가진 두 물체 사이에 작용하는 힘이다. 현재 알려진 자연계의 네 가지 힘 중 가장 약하며, 유일하게 인력만이 작용한다.
고전 물리학의 중력 - 뉴턴의 중력 이론

아이작 뉴턴은 다음과 같은 중력 이론을 제시하였다. 질량을 가지는 두 물체 간의 거리가 



r


{\displaystyle r}

일 때, 두 물체 사이에 작용하는 중력의 세기는 다음과 같다.




F
=
G




m

1



m

2




r

2






{\displaystyle F=G{m_{1}m_{2} \over r^{2}}}


질량으로부터 거리만큼 떨어진 질량에 의한 인력으로 인하여 나타나는 가속도는 두 물체 사이에 작용하는 힘을 제곱미터로 나누어 주면 되고, 이때 




m

1




{\displaystyle m_{1}}

을 지구의 질량 , 



r


{\displaystyle r}

을 지구의 반경으로 바꾸면 가속도는 지구의 인력에 의한 중력이 된다.
여기서 



G


{\displaystyle G}

는 중력상수다. 아이작 뉴턴은 《프린키피아》에 이와 같은 중력 이론을 소개했다. 이는 천체의 물리학 운동과 지표면의 낙하 운동을 통합한, 통일 이론이다. 이는 케플러의 제3법칙을 설명할 수 있는 이론이다.
만유인력 에너지는 중력 위치 에너지의 확장형으로서 만유인력으로 인하여 가지는 에너지를 말하는데,




W
=
F
s


{\displaystyle W=Fs}

 을 기초로 적분을 이용하여




U
=
−
G




m

1



m

2



r




{\displaystyle U=-G{m_{1}m_{2} \over r}}

 로 표현할 수 있다.
이 때 붙는 (-) 기호는 두 가지 설명이 가능한데 하나는 무한원을 원점으로 삼아 내려오는 것이기 때문에 그렇다는 것(위의 만유인력 에너지 식에서 r에 무한대를 대입하면 값은 0이 된다.)과, 무한대에서 지표로 적분하였기 때문에 (-) 가 추가되었다는 것이다.
현대 물리학의 중력 - 아인슈타인의 일반 상대론

현대 물리학에서의 중력은 아인슈타인의 일반 상대론으로 기술된다. 이는 관성 질량과 중력 질량이 같다는 관찰인 등가 원리에서 출발한다. 일반상대론에서는 중력을 시공의 곡률로 인한 현상으로 간주한다. 약한 중력장의 경우, 일반상대론은 뉴턴의 중력 이론으로 수렴한다.
양자 중력을 향하여
양자장론에서는 모든 힘을 어떤 매개하는 입자(보존)로 설명한다. 여기서, 중력은 스핀이 2인 입자인 중력자가 매개하게 된다. 중력자의 스핀이 짝수이기 때문에 중력은 인력만 존재하고, 척력은 존재하지 않는다. 또 중력자는 질량을 가지지 않아서, 중력은 그 영향 거리가 무한하다. 그러나 일반상대론을 양자화하여 얻어지는 이론은 재규격화할 수 없어서, 단지 효과적 장론(effective field theory)으로서의 가치를 가진다.
오늘날 중력을 양자론으로 설명하려는 여러 양자 중력 이론이 있는데, 고리 양자 중력(LQG)과 끈 이론이 그 대표적인 예이다.
지구표면 근처의 낙하물에 관한 방정식
일정한 중력이 작용한다는 가정 하에 뉴턴의 만유인력 법칙은 F=mg로 단순화 된다.(m은 물체의 질량이고, g는 평균적으로 9.81m/s²의 일정한 크기를 갖는 벡터이다) 이 식으로 나온 값은 물체의 무게이다. 중력으로 인한 가속도는 g와 일치한다. 중력장 안에서 떨어뜨린 물체는 낙하시간의 제곱에 비례하는 거리를 떨어진다. 오른쪽은 초당 20번의 스트로보스코프 플래시로 0.5초 동안 촬영한 사진이다. 첫 1/20초 동안 1개의 유닛을 지나가고(한 개의 유닛은 약 12mm이다), 2/20초 동안 총 4개의 유닛을 지나고, 3/20초 동안은 총 9개의 유닛을 지나간다.
똑같이 일정한 중력이 작용한다는 가정 하에 높이 h에 있는 물체의 퍼텐셜 에너지는 Ep=mhg 이거나 Ep=Wh 이다.(W는 물체의 무게를 뜻한다=mg) 이 식은 지구표면에서 물체가 조금만 떨어져있을 때 에만 유효하다. 비슷하게, 처음에 v의 속력으로 수직으로 떨어진 물체의 최대 낙하거리도 작은 높이와 작은 속력일 때 에만 쓸 수 있다.
중력과 천문학
뉴턴의 중력 법칙의 적용은 우리 태양계 내의 행성에 관한 더 세밀한 정보들을 습득하게 했다. 태양의 질량이나 퀘이사의 정보, 심지어 암흑물질의 존재 또한 뉴턴의 중력법칙을 통해 추론된 것 이다. 비록 우리가 행성들이나 태양에 직접 탐사해보지는 않았지만 우리는 그 질량들을 안다. 이 질량들은 측정된 궤도의 특징에 뉴턴의 중력법칙을 적용함으로써 얻은 것 이다. 우주에서 물체는 중력의 작용에 의해 자신의 궤도를 유지한다. 행성은 항성을 돌고, 항성은 은하계의 중심을 돌고, 은하는 성단의 질량중심을 돌고, 성단은 초은하단을 돈다. 다른 물체에 의해 한 물체에 작용하는 중력은 두 물체의 질량의 곱에 정비례하고, 둘 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.
중력파

일반상대성이론에서 중력파는 시공간의 곡률이 변화하는 상황에서 생긴다. (예: 같은 궤도를 도는 물체) 태양계에 의한 중력파는 측정하기에 너무 작다. 하지만, 중력파는 PSR B1913+16같은 쌍성펄서계의 시간이 지남에 따른 에너지 손실이 보여주다시피 간접적으로 관찰되고 있다. 중성자별의 합병이나 블랙홀의 형성이 측정가능한 양의 중력파를 만든다고 믿어지고 있다. 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 같은 중력파 관측소는 이 문제를 연구하기위해 설립되었다. 2016년 2월 12일 (LIGO에서)13억광년 떨어진 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 발생한 중력파(태양 질량의 3배)가 관측 되었다.
중력의 속도
2012년 12월, 중국의 한 연구 팀은 보름달과 초승달이 뜨는 시기동안 중력의 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 증명해주는 것처럼 보이는 지각 조석의 위상지연을 측정했다고 발표했다. 이것은 만약 태양이 갑자기 사라진다면, 지구는 8분 동안 궤도를 선회할 것이고 빛 또한 8분 동안 지구가 궤도를 움직인 거리만큼 이동한다. 이 팀의 발견은 2013년 3월에 Chinese Science Bulletin을 통해 알려졌다.
이례와 차이
몇몇 적절하게 설명되지 않은 관찰들이 있고 이것은 더 나은 중력이론을 필요로 할지도 모르고 아마 다른 방법으로 설명될 수 있다.
나머지 빠른 별들:　태양계에서 수성이 가장 공전속도가 빠르고 해왕성이 가장 느린것처럼 일반적으로 중심에 가까울수록 공전속도가 빠르다. 그러나 은하계 전체를 놓고 별을 관측하면 변두리에 있는 별들의 공전속도가 중심에 가까이 있는 별들과 같거나 심지어 더 빠른 관찰결과가 나타난다. 이는 은하군 안에 있는 다른 은하들도 비슷한 양상을 보여준다. 이같은 현상이 나타나는 이유에 대해서는 암흑 물질의 분포차이로 인한 중력의 차이라고 설명하고 있으나 암흑물질의 정체가 베일에 가려져 있는 지금 현재, 그 이유는 수수께끼이다.
의례 비행 이례: 다양한 우주선들은 중력이 움직임을 도와주는 동안 기대했던 것보다 더 큰 가속을 경험하게 된다.
가속 팽창: 우주의 미터단위의 팽창은 점점 속도를 내는 것처럼 보인다. 암흑 에너지가 이것을 설명하기위해 제안되어 오고 있다. 최근 대안적인 설명은 우주의 중력은 은하군 때문에 균질하지 않다는 것이고 자료가 이것을 설명하기 위해 재해석되었을 때 팽창은 결국에는 빨라지지 않는다는 것이다. 하지만 이 주장들은 논란이 되고 있다.
천문단위의 증가 이례:　최근 측정한 것들은 행성의 궤도가 에너지가 방출됨에 따라 태양이 물질을 잃는 것을 통해 일어나는 것 보다 더 빨리 넓혀지는 것을 보여준다.
추가되는 대규모의 수소 구름:　라이먼 알파 숲의 유령의 선은 수소구름이 예상했던 것보다 특정한 규모에서 훨씬 더 숲을 이루는 것을 제시하고 암흑의 흐름과 같이 중력이 특정한 거리의 규모에서 역 제곱 보다 훨씬 느리게 되는 것을 제시했을지도 모른다.
힘: 제시된 추가적 크기는 중력이 왜 이렇게 약한지 설명해 줄 수 있다.
같이 보기
인공중력
무중력
반중력
외부 링크




분류:물리학의 기본 개념
분류:천체역학
분류:가속도