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Einstein's Concept of Gravity

Updates Newton's Law of Gravity, showing: gravity is a result of the warping of space-time.

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아인슈타인의 중력의 개념

트럼폴린에서의 점프와 중력

이 그림에서와 같은 트렘폴린에서의 점프는 아주 신난다. 그것은 트렘폴린에 달린 스프링이 우리를 지상에서의 점프 때보다 훨씬 많이 위로 올라가게 해주기 때문이다. 그러나 트렘폴린에서도 계속 더 높게 튀어 오를 수는 없다. 중력이 우리를 아래로 끌어당기기 때문이다. 우리는 초등학교 때부터 중력에 대해 배웠다. 이는 지구의 모든 물체들을 지상으로 끌어 당기는 힘이다. 이것이 중력에 대한 모든 것일까? 결코 아니다! 

뉴턴의 중력

1600년대 후반에 아이작 뉴턴(Isaac Newton)이 중력의 법칙을 제시했다. 이 법칙에 의하면 중력은 우주의 질량이 있는 모든 물체들이 서로 끌어 당기는 힘이다. 이 법칙은 두 물체간의 중력의 세기는 그 물체들의 질량과 그들 사이의 거리에 의존함을 진술하고 있다. 뉴턴의 중력의 법칙은 2세기 이상 받아들여졌다. 이는 거의 모든 물체의 운동을 예상할 수 있게 해주었고, NASA에서는 달에 우주 비행사를 착륙시키는데 이 법칙을 사용하였다. 이 법칙은 현재도 거의 모든 실질적 문제 해결에 사용되고 있다. 그러나 뉴턴의 법칙은 왜 중력이 생기는지를 설명하지 않는다. 이는 다만 중력이 물체에 어떻게 영향을 끼치는지를 설명한다. 아울러 뉴턴의 법칙으로는 설명할 수 없는 현상도 발견되었다. 

Q : 뉴턴은 자신의 중력애 관한 생각을 법칙으로 표현하였다. 과학에서 법칙이란 자연에서 항상 일어나는 현상을 기술한다. 예를 들어 뉴턴의 법칙에 의하면 지구의 물체는 언제나 아래로 떨어지며 올라가지 않는다. 중력을 설명하기 위해 무엇이 필요한가?

A : 중력을 설명하기 위해서는 이론이 필요하다. 과학에서 이론은 아주 많은 증거들의 지지를 받는 광범위한 설명이다. 

아인슈타인의 중력

1900년대 초 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 단순히 중력의 영향을 기술하기 보다는 중력을 설명하는 중력이론을 제시하였다. 아인슈타인은 뉴턴이 생각했던 것처럼 중력이 질량을 가진 물체 사이의 인력이 아니라는 것을 수학적으로 보여주었다. 그 대신 중력은 공간과 시간이 튀틀린 결과임을 보여 주었으며, 이는 똑같은 공간-시간의 구조를 구성한다.  공간-시간 및 중력에 관한 그의 생각은 아인슈타인의 일반상대성 이론으로 알려지게 되었다.  다음 사이트의 비디오를 보면 아인슈타인이 어떻게 그의 이론을 개발했는지를 알 수 있다. 이 비디오는 아인슈타인의 이론이 어떻게 뉴턴의 법칙과 다른지를 이해하는데 도움을 준다.

http://www.youtube.com/watch?v=O-p8yZYxNGc

아인슈타인의 중력의 시각화

아인슈타인은 그의 이론을 수학을 사용하여 유도하였다. 그러나 단순한 시각적 유추의 도움을 통해 이를 잘 이해할 수 있다.  트렘펄린을 아래로 누르는 볼링공을 생각해보자. 트렘폴린의 면은 평평하지 않고 아래쪽으로 움푹 들어갈 것이다. 이제 트램폴린 주변에 가벼운 공을 놓았다고 상상해보자. 어떤 일이 발생할까? 이 공은 볼링공 쪽으로 굴러내려 갈 것이다. 볼링공에 끌리는 것처럼 보이는 현상은 두 공 사이에 중력이라는 보이지 않는 힘에 의해 끌리는 것이 아니라 트램폴린이 아래로 움푹 들어갔기 때문이다. 

아인슈타인은 태양과 기타 질량이 대단히 큰 물체들은 볼링공이 트렘폴린에 만드는 것과 유사한 영향을 주변의 공간과 시간에 끼친다고 이론화 했다. 물체의 질량이 크면 클 수록 공간-시간이 더 많이 휘게 된다. 이러한 생각이 아래 그림에 나타나 있다. 아인슈타인에 의하면, 물체들이 서로에게 움직이는 것은 그들이 중력에 의해 서로 당기기 때문이 아니라 공간-시간의 휨 때문이다. 아인슈타인 이론은 증거의 지지를 받고 널리 수용되고 있으나, 뉴턴의 법칙도 많은 계산에 아직도 사용되고 있다. 다음 사이트에서 공간-시간의 뒤틀림 현상에 관한 애니메이션을 볼 수 있다. 

http://einstein.stanford.edu/Media/Einsteins_Universe_Anima-Flash.html

이에 관한 비디오를 보려면 다음 사이트를 이용하라.:

http://www.youtube.com/watch?v=uwtJaQyXpQs

아인슈타인 이론을 지지하는 증거를 학습하려면 다음 사이트를 방문하라. :

http://www.universetoday.com/85401/gravity-probe-b-confirms-two-of-einsteins-space-time-theories/

[아인슈타인의 중력이론] 이 그림은 지구의 질량이 주변의 공간-시간을 휘게하여 인공위성과 같이 작은 물체들이 지구 주의를 돌게하는 것을 보여준다.

요약

  • 뉴턴의 중력의 법칙은 대부분의 물체 운동을 예상할 수 있게 해주지만 모든 물체의 운동을 예상하게 해주지는 못한다. 또한 이는 중력이 무엇인지를 설명하지 않고, 다만 물체에 대한 중력의 영향을 기술한다.
  • 아인슈타인은 뉴턴이 생각하는 것처럼 중력이 질량을 가진 물체 사이의 인력이 아니라는 것을 수학적으로 보여주었다. 그는 중력은 공간-시간의 휨 현상의 결과라고 햇다. 
  • 오늘날 아인슈타인 이론은 여러 증거의 지지를 받았으며 널리 받아들여지고 있다.

용어

  • 중력(gravity) : 질량을 가진 것들 사이의 인력 

실습

아인슈타인의 "걸작"(“masterpiece”)을 다음 사이트에서 보고  아인슈타인과 그의 동료들의 업적에 관한 아래의 진술이 옳은지 그른지를 결정하라. 

http://www.awesomestories.com/assets/general-theory-of-relativity-einsteins-masterpiece-1

  1. 아인슈타인의 일반상대성 이론은 그의 가장 위대한 업적으로 간주된다.
  2. 아인슈타인은 그의 일반상대성 이론으로 노벨상을 수상했다.
  3. 아인슈타인의 중력에 대한 생각은 단지 이론일뿐 실제적 이용은 없다. 
  4. 아인슈타인은 모든 보편적 법칙들을 수학으로 나타낼 수 있다고 생각했다.
  5. 일반 상대성은 오늘날의 우주를 이해하는 기반이다. 
  6. 아인슈타인은 그의 과학적 이론 때문에 신을 믿지 아니했다.

복습

  1. 뉴턴은 중력을 어떻게 기술하였나?
  2. 아인슈타인은 중력을 어떻게 설명하였나?
  3. 아인슈타인의 이론이 오늘날 왜 널리 받아들여지고 있나?

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