중력장

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중력장질량을 가진 물체에 중력이 작용하는 공간을 말한다.

지구상의 물체는 지구로부터 중력을 받으므로, 지구 주위의 공간에는 중력장이 존재한다고 할 수 있다. 중력 가속도가 일정하다고 볼 수 있는 범위 내에서는 균질한 중력장이라고도 한다. 질량이 m인 물체가 중력 가속도 g인 균질한 중력장에서 기준면보다 h만큼 높이 있을 때 중력장에 의한 위치 에너지는 mgh가 된다.

[편집] 중력장론

일반 상대성 이론은 1925년 아인슈타인에 의해서 제안된 중력장 이론으로서 물체의 존재에 따른 시공간의 구조가 어떻게 변형되는지를 나타내고 있다. 물체의 존재는 그 물체가 갖는 질량에 의해서 알 수 있는데 질량을 갖는 물체는 중력이라는 힘을 발산하고 있기 때문이다. 이 중력은 언제나 서로 끌어다니는 방향으로 작용하고 그 크기는 두 물체가 갖는 질량의 곱에 비례하고 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 이것은 뉴턴의 중력 이론으로서 잘 알려져 왔다.

아이작 뉴턴의 중력 이론에서 나온 질량은 중력을 표현하는데 쓰이므로 중력 질량(gravitational mass)이라고 부른다. 그러나 뉴턴의 운동 제 2법칙으로서 물체에 가해주는 힘은 물체의 질량과 물체의 가속도의 곱과 같다는 법칙에서 쓰인 질량은 물체에 가해주는 힘에 버티는 즉 운동 상태를 변화시키려는 것에 저항하는 것으로서의 질량이므로 우리는 그것을 관성 질량(inetial mass)이라고 부른다.

갈릴레오 갈릴레이가 피사의 탑에서 무거운 물체나 가벼운 물체나 같은 속도로 떨어진다는 것을 증명하기 위해서 실험하였던 원리는 바로 관성 질량과 중력 질량이 같다는 것에 있다. 다시 말하면 중력 이론에 쓰였던 질량과 운동 법칙에 쓰였던 질량이 서로 같기 때문에 식에서 소거될 수 있고 남는 것은 지구의 질량으로 일정하므로 무거운 물체나 가벼운 물체나 같은 속도로 떨어지게 된다. 이렇게 관성 질량과 중력 질량이 같다는 사실은 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 만드는 기초가 되었는데 여기서 일반 상대성 이론의 공리인 등가의 원리(Equivalence Principle)가 중요하다.

등가의 원리란 중력의 국소적인 효과는 그 계를 가속시켜서 얻는 효과와 같다는 것인데 관성 질량과 중력 질량이 같다는 사실은 이 원리로부터 알 수 있다. 이러한 등가의 원리로서 지구위에서 자유 낙하하는 물체는 중력에 의한 힘과 가속되는 물체에 적용되는 관성력이 일치하게 되어 힘이 평형 상태가 된다. 힘의 평형 상태는 아무런 힘이 가해지지 않은 상태와 같은 효과를 가지게 되어 물체는 관성계가 된다. 이렇게 자유 낙하하는 물체는 아무런 힘을 느끼지 않고 정해진 경로를 시간이 지남에 따라 흘러 가게 되는데 이러한 관점이 바로 일반 상대성 이론에서 중력에 대해 다루는 관점이다.

이러한 관점은 수성 근처에서 빛의 경로가 휘어져 가는 현상에 의해 유발되었다고 할 수 있는데 이미 빛은 특수 상대성 이론에서 시간과 공간의 성질을 알 수 있는 열쇠와 같은 역할을 한다. 수성 근처의 중력은 매우 강하여 빛조차도 그냥 통과하지 못하고 휘어져 가게 된다. 이런 휨 현상을 뉴턴의 중력 이론으로 설명할 수 없기에 아인슈타인은 등가의 원리를 기초로 새로운 중력 이론을 만들었는데 그 이론에서 중력의 효과는 시공간의 구조를 변형시키는 효과를 가지게 된다. 즉 중력이 없는 상태에서의 시공간은 아무런 변형이 없는 직선의 형태를 가진다면 물질이 존재하여 중력이 있다면 시공간은 원래의 구조에서 중력의 영향으로 변형된 구조를 갖게된다는 것이다.

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