[Aether 물리] #7 일반 상대성이론 - 관성력과 중력의 실체

etainclub (79)Beyond Reality Researcherin Korea • 한국 • KR • KO • 6 years ago (edited)

매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.

지금까지 특수 상대성이론에 대해서 알아봤는데, 일반 상대성이론과 차이점을 비교하면 아래와 같습니다.

출처:http://hkpark.netholdings.co.kr/web/manual/default/manual_view.asp?menu_id=107589&id=2726

특수 상대성이론은 등속도 운동을 하는 물체에 해당하는 이론으로, 가속도가 0인 운동에 대해서만 적용됩니다. 그런데 세상에 그런 운동을 별로 없습니다. 버스가 멈춰있다가 속도가 붙고 다시 정차하려면 가속하고 감속해야만 합니다. 대부분의 운동이 가감속 운동입니다. 따라서 특수 상대성이론은 적용될 수 없죠.

그래서 특수 상대성이론이후 일반적 운동에 적용하기 위해 일반 상대성이론이 나옵니다. 따라서 일반 상대성이론이 특수 상대성이론의 부모 집합이라고 할 수 있습니다. 일반 상대성이론에서 가속도가 0인 경우가 특수 상대성이론입니다.

한가지 재미있는 이야기는, 아인슈타인이 일반 상대성이론에 대해 생각한 건 1907년입니다만, 논문으로 발표된 건 무려 8년 후인 1915년입니다. 사실 아인슈타인은 일반 상대성이론을 수학으로 표시하는데 어려움을 겪었습니다.

천재인 아인슈타인도 잘 못하는 부분이 있다는 게 있다니요. 뭐든 다 잘할 필요는 없는거군요. 핵심적 아이디어가 있다면 그걸 수학으로 표현해줄 사람은 많습니다. 아인슈타인도 친구의 도움으로 수학을 공부하여 드디어 일반 상대성이론은 8년 만에 세상에 공개했습니다.

특수 상대성이론은 그 출발점이 광속 불변의 법칙입니다. 광속은 절대 변하지 않고, 대신에 시간, 길이, 질량이 변한다는 것을 보였습니다.

관성력

일반 상대성이론에서 다루는 것은 가속 운동입니다. 가속운동으로 인해 발생하는 것이 관성력입니다. 아인슈타인은 관성력과 중력은 실제 힘이 아니고 서로 구분할 수 없다고 얘기했습니다.

관성은 물리학을 배울 때 버스 이야기로 자주 설명됩니다. 버스를 타고 있는데, 멈춰 있던 버스가 출발하면 타고 있던 사람은 뒤로 쏠린다는 것입니다. 이건 우리 모두 경험한 부분이라 이해가 잘 됩니다. 버스가 갑차기 출발하면 정말 뒤에서 누가 잡아 끄는 것처럼 뒤로 쏠리니까요.

그런데 이 관성력이 실제 존재하지 않는다구요? 그렇습니다. 힘은 에너지입니다. 버스를 가속할 때도 에너지가 필요합니다. 그런데 버스에 타고 있는 사람을 뒤로 잡아 당긴 그 힘의 에너지원은 무엇일까요? 없습니다.

버스 밖에 있는 사람이 버스 안에서 공중부양하고 있는 사람을 보면 그 사람은 가만히 그 자리에 있고, 버스는 앞으로 가는 것으로 보입니다. 즉 밖에서 보면 관성은 없는 것으로 보입니다. 하지만 버스 안에서 공중부양 하고 있는 사람을 보면 그 사람에게는 관성력이 있는 것으로 "보입니다." 이 때, 이 공중부양 하는 사람이 버스 진행 방향 반대편으로 이동하는 것으로 보이니까요.

이렇게 가속 운동을 하는 사람에게만 보이는 힘을 겉보기 힘(fictitious force)라고 합니다.이 힘은 가상의 힘으로 에너지원이 있는 것이 아니고 물체의 상운동을 설명하기 위해서 만든 힘입니다.

중력

만유인력 법칙을 만든 뉴턴은 죽기 전까지도 중력이 왜 어떻게 작용하는지 알지 못했습니다.

"어떤 물체가 공간을 사이에 두고 떨어져 있는 다른 물체에 대해 영향을 줄 수 있따는 논리는 나에게 불합리해 보였다. 철학적인 ㅁ누제에 관해 엄밀하게 추론할 수 있는 능력을 가진 사람이라면, 어느 누구도 그런 개념에 대해 책임을 지려 하지 않을 것이라고 생각한다."

아인슈타인은 일반 상대성이론에서 관성력, 중력은 겉보기 힘이라고 얘기합니다. 관성력은 그럴 거 같은데, 중력까지도 겉보기 힘이라구요?

좀 전에 관성력을 알아보기 위해 버스에서 공중부양 하는 경우를 살펴봤는데, 이번에는 자유낙하하는 엘리베이터 상황을 보겠습니다. 자유낙하를 하게 되면 순간 무중력상태가 됩니다. 이것도 우리가 경험해 봤던 것입니다. 이 때 기분이 묘하죠~

자유낙하하는 엘리베이터 안에 있는 사과를 엘리베이터 안에 있는 사람이 보면, 사과는 떠 있는 것으로 보입니다. 즉 아래로 떨어지지 않고 공중에 멈춰 있는 것으로 보이겠죠. 모든 물체는 중력 방향으로 떨어져야 하는데, 그렇지 않은 것으로 보이게 됩니다.

하지만, 엘리베이터 밖에 있는 사람이 보게 되면 사과는 분명 중력방향으로 가속 운동을 하며 떨어지고 있는 것이죠. 이처럼 중력도 기준에 따라 생겼다 없어졌다 합니다. 관성력과 동일하죠. 그래서 아인슈타인은 관성력과 중력은 동일한 것으로 봤습니다. 그렇다면 뉴턴이 죽어서도 풀지 못한 문제인 중력의 원인, 즉 왜 물체들은 서로 당기는 이유는 뭘까요?

아인슈타인은 다시 한 번 상식을 타파합니다. 바로 공간이 휘어 있는 것이라고요. 다음편에서 보다 자세히 알아보겠습니다.

여기서 잠깐
이더 물리에서는 중력이 실재한다고 얘기합니다. 중력장은 하나의 유체 흐름으로 표시합니다.

원심력

또 하나의 겉보기 힘이 있습니다. 바로 원심력입니다.

위 그림에서 자동차가 오른쪽으로 돌 때, 자동차를 탄 사람은 앞으로 직진하려고 할 뿐인데, 자동차 안에서 보면 몸이 왼쪽으로 쏠리게 됩니다. 즉, 몸이 왼쪽으로 쏠리는 것은 누가 잡아 당기거나 밀기 때문이 아니라, 몸은 똑바로 앞으로 가려는데 자동차가 오른쪽으로 가기 때문일 뿐입니다. 이 경우도, 관성력과 마찬가지로 자동차 안의 사람이 보면 원심력이 있지만, 자동차 밖의 사람이 보면 원심력은 전혀 없습니다. 즉 상대적인 힘으로, 겉보기 힘입니다.