매혹적인 중력

아이작 뉴턴은 약 300년 전에, 중력이 어떻게 작용하는지를 이론화했다. 그는 대단히 높은 산꼭대기에서 물체를 던지는 사람을 상상하였다. 단순히 떨어뜨리기만 할 경우에, 그 물체는 사과가 떨어지듯이, 아래 방향으로 땅에 떨어질 것이다.

그러나 그 물체를 앞으로 던질 경우에는, 곡선 진로를 따라 땅에 떨어질 것이다. 따라서 뉴턴은, 매우 빠른 속도로 던질 경우에는 그 물체가 지구 주위의 궤도를 돌게 될 것이라고 추리하였다.

그처럼 이론을 세우자, 중력과 달 및 행성들의 운행 사이의 관련성, 즉 달은 지구의 중력이 끌어당기기 때문에 지구 주위의 궤도에 묶여 있으며 행성들은 태양의 중력에 의해 자체의 궤도를 벗어나지 않게 된다는 점이 그에게 분명해졌다.

우주 법칙

뉴턴은 주의 깊이 연구한 후에, 이 우주 법칙에 대한 정밀한 수학적 설명을 공식으로 나타냈다. 간단히 말해서, 뉴턴의 방정식에 따르면, 크든 작든 모든 물체가 서로 끌어당기는데 그러한 인력은 물체의 질량이 얼마나 큰가에 따라 그리고 물체들 사이의 거리에 따라 좌우된다.

세밀하게 다듬어진 몇몇 공식들과 함께, 과학자들은 아직도 중력을 설명하는 뉴턴의 기본 공식들을 사용하는데, 특히 1985년에 핼리 혜성과 만나도록 우주 탐사기를 보낸 일과 같은 우주 모험을 계획하는 일에서 그러하다. 사실상, 뉴턴의 동료인 영국의 천문학자 에드먼드 핼리는 뉴턴의 이론을 사용하여 그 혜성이 다음에 나타날 해를 예측하였다.

뉴턴은 중력에 관해 자신이 발견한 점들로부터 우주에 나타나 있는 질서, 즉 지성에 의한 설계를 통해 생기는 질서 정연함을 어렴풋이 보게 되었다. 그러나 그의 업적은 그 문제에 대한 최종적인 것은 결코 아니었다. 금세기초에, 과학자들은 뉴턴의 이론 중 몇몇 부면들이 적절하지 않으며 심지어 일관성이 없다는 점을 깨닫게 되었다.

아인슈타인과 중력

1916년에 알베르트 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 제시하였다. 그가 발견한 놀라운 점은 중력이 우주에 형태를 갖추게 할 뿐 아니라 우리가 우주를 보고 측정하는 방식을 좌우하기도 한다는 것이었다. 그뿐 아니라, 중력은 시간 측정 방식에도 영향을 준다!

이 경우에도, 하나의 예가 문제를 명확히 하는 데 도움이 된다. 우주 공간이 끝없는 고무판과 같다고 상상해 보라. 이제 이 유연한 받침 위에 어떤 물체를 올려 놓으면 움푹 들어간 오목한 곳이 생길 것이다. 아인슈타인의 설명에 의하면, 지구, 태양 및 별들은 유연한 받침 위에 놓인 물체들과 같아서, 우주 공간을 휘게 한다. 만일 그 고무판 위에서 또 하나의 물체를 굴린다면, 그 물체는 첫 번째 물체 주변의 오목한 부분으로 인해 곡선 진로로 빗나가게 될 것이다.

그와 비슷하게, 지구, 행성 및 별들은 우주 공간 내의 천연적인 “오목한 곳”을 따라, 곡선 진로를 따라 움직인다. 광선도 우주 내의 큰 물체 근처를 지날 때에는 굴절된다. 더욱이, 아인슈타인의 방정식에 따르면 빛이 중력에 거슬려 나아갈 경우 자체 에너지의 일부를 잃게 될 것으로 예측되었는데, 이 점은 스펙트럼의 적색 쪽으로 색이 약간 이동하는 현상에 의해 확인되었다. 물리학자들은 그러한 현상을 중력 적색 편이(赤色偏移)라고 부른다.

이와 같이, 아인슈타인의 이론은 뉴턴이 발견한 점들로부터 생기는 모순들을 제거하였을 뿐 아니라, 중력이 우주 내에서 어떻게 작용하는지에 대한 새로운 비밀들을 밝혀 주었다.

매혹적인 영향

빛이 나아가는 방식에 중력이 영향을 줄 수 있기 때문에 천문학자들이 관찰해 온 몇 가지 놀라운 결과들이 일어난다.

사막을 여행하는 사람들은 오래 전부터 신기루—땅 위에서 물이 어른거리는 모습으로 나타나는 착시 현상—를 잘 알고 있다. 이제, 천문학자들은 우주의 “신기루”를 사진 찍었다. 그것은 어떠한 것인가?

은하의 활동성 핵이라고 믿어지며 준성(다른 말로, 준항성체)이라고 불리는, 멀리 떨어진 한 물체에서 나온 빛은 지구에서 바라볼 때 그 사이에 끼어 있는 은하들을 지난다. 그 빛은 은하들을 지나면서, 중력에 의해 굴절된다. 빛이 굴절되면서 그 하나의 준성의 상이 두개 이상 생긴다. 지상의 관찰자는 빛이 자기를 향해 직진해 왔다고 생각하면서, 하나의 물체가 아니라 여러 개의 물체를 보고 있다고 결론짓는다.

아인슈타인의 업적에 기인한 또 다른 매혹적인 부면은 블랙홀과 관계가 있다. 블랙홀이란 무엇이며, 그것은 중력과 무슨 관련이 있는가? 하나의 간단한 실험이 그 대답에 도움이 된다.

머리 위로 어떤 물체를 던져 보라. 그러면 그 물체가 어느 정도의 높이까지 올라갔다가, 순간적으로 멈춘 다음, 땅으로 도로 떨어진다는 것을 관찰하게 될 것이다. 빛의 경우는 그와 다르다. 광선은 아주 빠른 속도로 나아가기 때문에 지구의 중력으로부터 벗어날 수 있다.

이제 중력이 훨씬 더 강하여, 빛도 벗어나지 못하게 할 정도로 강하다고 상상해 보라. 그러한 물체로부터 벗어날 수 있는 것은 아무 것도 없다. 빛이 그 물체의 중력에서 벗어나서 외부 관찰자의 눈에 전혀 도달할 수 없기 때문에, 그 물체 자체가 보이지 않을 것이다. 그러므로 블랙홀이라는 이름이 붙는다.

독일의 천문학자 카를 슈바르츠쉴트는 최초로 블랙홀의 가능성을 이론상으로 증명하였다. 아직까지는 블랙홀이 과연 우주에 실제로 존재한다는 명료한 증거가 전혀 없지만, 천문학자들은 블랙홀일 가능성이 있는 것을 다수 찾아냈다. 블랙홀은 또한 준성의 감추인 동력원일지도 모른다.

중력파

아인슈타인의 업적을 근거로 해서, 우리는 또한 중력을, 모든 것을 연결시키고 우주를 결속시키는 보이지 않는 하나의 망으로 묘사할 수 있다. 그 망이 교란될 경우 무슨 일이 발생하는가?

다시 고무판의 예를 고려해 보자. 이제 그 판에서 어떤 물체가 갑자기 이리저리 떠밀린다고 가정해 보자. 그 판에 생기는 진동은 근처의 물체들을 교란시킬 것이다. 그와 비슷하게, 만약에 하나의 별이 맹렬하게 “떠밀린”다면, 우주 공간 내의 잔물결 곧 중력파가 생길 수 있다. 중력파의 진로에 걸린 행성, 별 혹은 은하들은 우주 공간 자체가—진동하는 고무판처럼—수축하고 팽창하는 것을 경험할 것이다.

그러한 중력파가 아직은 탐지되지 않았으므로, 과학자들은 아인슈타인의 이론이 정확하다는 무슨 증거라도 가지고 있는가? 가장 좋은 증거 중 하나는 이중 맥동 전파원으로 알려진 항성계로부터 얻는다. 그것은 하나의 공통 중심 주위의 궤도에 있는 두개의 중성자별로 이루어져 있는데, 궤도 주기는 약 여덟 시간이다.a 그 별들 중 하나는 맥동 전파원이기도 한데, 그 별은 공전을 하면서, 넓은 범위를 비추는 등대의 광선처럼 맥동 전파를 낸다. 그 맥동 전파원의 정확한 시간 조절 때문에, 천문학자들은 그 두 별의 궤도를 매우 정확하게 측량할 수 있다. 천문학자들은 중력파가 방출되고 있다는 아인슈타인의 이론과 정확히 일치하게 궤도 주기가 서서히 줄어들고 있다는 점을 알게 되었다.

그러한 중력파가 지구에 미치는 영향은 극미하다. 예를 들어, 1987년 2월 24일에, 천문학자들은 한 초신성을 발견하였는데, 그 별은 바깥 층을 날려 보내고 수백만개의 태양과 같은 밝기로 타오르면서, 장엄하게 변형하였다. 초신성이 내는 중력파는, 지상에서는, 수소 원자 직경의 백만분의 일밖에 안 되는 폭의 진동을 일으킨다. 변화가 그처럼 작은 이유는 무엇인가? 왜냐하면 중력파가 지구에 도달할 때에는 에너지가 아주 먼 거리에 걸쳐서 분산되었을 것이기 때문이다.

당황케 하는 문제

지식이 크게 진보하였지만, 중력에 대한 기본적인 특정 부면들은 여전히 과학자들을 당황케 한다. 기본적으로 네 가지 힘—전기와 자기의 원인이 되는 전자기력, 원자핵 내에서 작용하는 약력과 강력, 중력—이 있는 것으로 오랫동안 생각되어 왔다. 그런데 네 가지 힘이 있는 이유는 무엇인가? 네 가지 모두 단 하나의 기본적인 힘에서 나타난 것일 수 있는가?

최근에 전자기력과 약력은 한 가지 기본적인 현상—전기적으로 약한 상호 작용—에서 나타난 것이라는 점이 확립되었으며 이 두 가지 힘을 강력과 통합시키려고 하는 이론들이 나오고 있다. 그러나 중력은 색다른 것이다. 그것은 다른 것들과 조화하지 않는 것으로 보인다.

과학자들은 그린란드의 얼음판에서 최근에 행해진 여러 가지 실험으로부터 실마리를 얻게 되기를 바라고 있다. 얼음에 뚫린 2,000미터 깊이의 구멍 아래서 측정된 결과에 의하면 중력이 예상했던 것과 다르다는 점이 나타난 것 같다. 이전에 갱도 아래와 텔레비전 송신탑 위에서 행해졌던 실험 결과에서도 중력에 관한 뉴턴의 설명에 근거한 예측에서 벗어나게 한, 무언가 이해할 수 없는 점이 나타났다. 한편, 일부 이론가들은 자연계에 존재하는 힘들을 통합시키기 위해서 수학적인 새로운 접근 방법 즉 “슈퍼스트링 이론”을 발전시키려고 노력하고 있다.

중력—생활에 필수적인 것

뉴턴과 아인슈타인 모두가 발견한 점은, 법칙이 천체의 운행을 지배하며 중력이 우주를 결속시키는 끈처럼 작용한다는 사실을 증명해 준다. 한 물리학 교수는 「뉴 사이언티스트」지에서 기술하면서, 그러한 법칙에 나타나 있는 설계의 증거에 주의를 이끌면서 이렇게 말했다. “중력이나 전자기력의 상대적인 힘에 약간의 변화만 있어도 태양과 같은 별들은 푸른 거성 혹은 붉은 왜성들로 바뀌고 말 것이다. 사방에서, 우리는 자연계에는 모든 것이 있어야 할 위치에 있다는 증거를 보고 있는 것 같다.”

중력이 없다면 우리는 도저히 존재할 수 없을 것이다. 잠깐 다음과 같은 점을 고려해 보라. 중력은 태양과 결속시켜 핵반응을 유지시켜 줌으로써, 우리에게 필요한 열과 빛이 공급되게 한다. 중력은 회전하는 지구가 태양 주위의 궤도를 벗어나지 않도록 하여 낮과 밤과 계절이 생기게 하며, 우리가 회전하는 바퀴에서 튀어나가는 진흙처럼 내던져지는 일이 없도록 막아 준다. 지구의 대기는 중력에 의해 제자리를 유지하며, 한편 달과 태양으로부터의 인력은 바닷물의 순환에 도움이 되는 정기적인 조류를 발생시킨다.

우리는 내이(内耳)의 아주 작은 기관(이석[耳石])을 사용하여 중력을 감지하며, 유아기부터 걷거나 달리거나 뛸 때 중력을 고려하는 법을 배우게 된다. 우주 비행사들에게는 우주 비행을 하면서 무중력 상태에 대처해야 할 경우 그렇게 하기가 참으로 훨씬 더 어렵다!

그렇다. 중력은 지상의 생활이 우리에게 정상적인 것이 되게 한다. 실로, 중력은 창조주의 “기묘하신 일” 중 매혹적인 예다.—욥 37:14, 16.

[각주]

[16면 삽화]

뉴턴의 중력의 법칙에 따르면, 분명히 진공 상태에서는 깃털이 사과와 같은 속도로 떨어진다

[17면 삽화]

빛은 우주 공간에서 다른 천체들의 중력장을 통과할 때 굴절된다

[18면 삽화]

유아기부터 우리는 귀에 있는 아주 작은 기관의 도움으로 중력을 고려하고 균형을 유지하게 된다