[우주과학] 중력이란 무엇입니까? 자연의 가장 신비한 힘

중력이 없었다면 우리는 존재하지 않았을 것입니다. 그것은 우리를 지구 표면에 유지하는 힘을 제공하고 지구는 태양 주위를 공전합니다. 그것은 처음에 태양계의 형성을 담당했으며 태양에 있는 모든 물질의 중력적 인력으로 서로 단단히 잡아당겨 핵융합이 일어나 우리에게 열과 빛을 제공합니다.

중력은 우주에서 가장 신비한 힘 중 하나입니다.

 

중력이란 무엇입니까?

전자기력, 강한 핵력 및 약한 핵력과 함께 자연의 4가지 기본 힘 중 하나인 중력은 매우 영향력 있는 자연 현상입니다.

그것은 물질의 속성입니다. 간단히 말해서 모든 물질은 다른 모든 물질에 끌립니다. 더 많은 물질이 있고 물체가 서로 가까울수록 그 인력은 더 커집니다.

그리고 밀어내거나 끌어당길 수 있는 전기와 자기와 달리 중력 은 항상 사물을 끌어당깁니다.

뉴턴의 중력 이론은 무엇이었습니까?

아이작 뉴턴의 초상화(1642-1727)

뉴턴은 중력이 어떻게 작용하는지에 대한 가설이 없다고 말했습니다.

대신, 그것을 실제로 설명하기 위한 그의 출발점은 중력이 보편적이라는 생각이었습니다. 사과가 나무에서 떨어지게 한 것과 똑같은 것이 달을 궤도에 유지했다는 것입니다.

이 개념, 천문학적 데이터 수집 및 몇 가지 영리한 사고 실험을 통해 Newton은 두 물체 사이의 중력 인력에 영향을 미치는 세 가지 요소, 즉 각 물체의 질량과 두 물체 사이의 거리를 보여줄 수 있었습니다.

비록 그가 이 형식으로 그것을 쓰지는 않았지만 그의 이론은 중력이 역제곱 법칙을 따른다는 것을 보여줄 것입니다. 중력은 두 물체의 질량을 곱한 다음 두 물체 사이의 거리의 제곱으로 나누어 계산할 수 있습니다. 따라서 중력의 인력은 물체의 질량이 증가하거나 서로 가까워질수록 증가합니다.

이 간단한 관계는 달과 행성의 거의 모든 움직임을 설명하기에 충분했으며 NASA가 달에 대한 아폴로 임무의 안전한 궤도를 계산하는 데 필요한 전부였습니다.

등가 원칙은 무엇입니까?

등가 원리는 알버트 아인슈타인이 그의 "가장 행복한 생각"으로 묘사한 것에 기초합니다.

이것은 "사람이 자유롭게 넘어지면 자신의 무게를 느끼지 않을 것"이었습니다. 즉, 가속도와 중력은 정확히 동일하며 구별할 수 없습니다.

우리는 이것이 국제 우주 정거장에서 일어나는 것을 봅니다. 지구로부터 정거장의 궤도 거리에서의 중력은 표면의 중력의 약 90%이지만 우주 비행사는 떠 있습니다.

사람들이 저 위로 떠다니는 이유는 끊임없이 지구를 향해 떨어지기 때문입니다. 우리는 그것들이 지구 표면에 충돌할 것이라고 예상할 수 있지만, 그들은 또한 계속 놓치기 위해 적절한 속도로 옆으로 움직이고 있습니다. 이것이 바로 궤도에 있는 것과 관련된 것입니다.

등가 원리는 사람이 넘어질 때와 같이 가속이 체중을 상쇄한다는 것을 보여줍니다. 아인슈타인은 가속도와 중력이 사실상 같은 것이라고 제안하기 위해 행복한 생각에서 도약했습니다.

그리고 이것은 중력의 힘을 예측하고 그것이 어떻게 작용하는지 설명하는 그의 일반 상대성 이론에 영감을 주었습니다.

아인슈타인의 일반상대성이론이란?

그의 등가 원리에서 아인슈타인은 질량을 가진 물체(원자에서 별에 이르기까지 무엇이든)가 공간과 시간을 휘게 한다는 것을 보여줄 수 있었습니다.

그리고 뉴턴이 결코 보여줄 수 없었던 무언가, 즉 중력이 멀리서 작용할 수 있었던 이유를 설명한 것은 바로 이 뒤틀림이었습니다.

구슬로 둘러싸인 트램폴린 위의 농구공처럼, 더 무거운 물체는 시공간의 구조에 더 큰 뒤틀림을 만들어 근처의 물체를 끌어들여 곡선 궤적으로 움직이게 합니다. 그러나 더 작은 물체도 영향을 미칩니다. 우리 각자는 우리 주변의 물체에 작은 중력을 가합니다.

알버트 아인슈타인(Albert Einstein), 여기 프린스턴 대학의 그의 연구실에서 볼 수 있습니다.

그는 뉴턴과 매우 다른 접근 방식을 취하고 있었기 때문에 아인슈타인은 다른 종류의 수학, 그 자신이 처음에는 거의 알지 못했던 곡선 공간의 수학을 사용해야 했습니다.

그리고 그는 중력이 자체적으로 영향을 미친다는 놀라운 발견과 같이 뉴턴이 존재한다고 의심할 이유가 없었던 다양한 2차 효과를 고려해야 했습니다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 뉴턴의 방정식이 하는 모든 일을 수행하여 두 물체 사이의 인력 크기를 예측하지만 질량이 있는 모든 것이 공간과 시간을 휘게 하는 방식을 설명하기 때문에 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다.

아인슈타인은 뉴턴이 틀렸음을 증명했는가?

뉴턴의 작업은 설명적이었습니다. 그는 관찰된 것에 간단한 수학 방정식을 맞추었습니다.

그의 수학은 중력이 어떻게 작동하는지에 대해 아무 것도 말해주지 않지만 일상적인 것들의 행동에 대한 설명으로서는 매우 잘 작동했으며 여전히 그렇습니다.

뉴턴의 중력에 대한 기본적인 이해는 아폴로 우주선을 달에 보내기에 충분했습니다.

아인슈타인이 한 일은 우리가 중력이라고 설명하는 힘의 원인을 이해하는 데 도움이 된 것입니다.

그는 뉴턴의 방정식이 충분히 근사하지 않은 특정 상황, 일반적으로 중력이 매우 강하게 당기는 상황이 있음을 보여줄 수 있었습니다.

이 경우 더 정확한 수치를 얻으려면 아인슈타인을 가져와야 합니다. 그리고 아인슈타인은 또한 뉴턴 물리학의 기본 작동에서는 상상조차 할 수 없는 예측을 하는 데 유용합니다.

일반 상대성 이론에 대한 어떤 증거가 있습니까?

일반 상대성 이론에 대한 엄청난 양의 증거가 있습니다.

아인슈타인이 자신의 이론을 제시하기 전에 천문학자들은 수성의 궤도에서 태양에 가장 가깝게 접근하는 지점이 점차적으로 위치를 바꾸는 세차 운동이라고 하는 측면을 설명하기 위해 애썼습니다. 뉴턴의 방정식은 전체 효과를 설명할 수 없었지만 아인슈타인의 작업은 해냈습니다.

게다가 중력이 시공간의 뒤틀림으로 인해 발생했다는 생각도 테스트할 수 있었습니다. 왜냐하면 그것은 (예를 들어) 매우 무거운 물체에 가까이 다가가는 빛이 곡선을 따라 이동해야 하고 그 뒤틀린 공간을 통과해야 한다는 것을 의미했기 때문입니다. 몸이 만듭니다.

아인슈타인이 중력에 대해 옳았다는 첫 번째 증거는 1919년 일식의 형태로 나왔습니다.

이것은 1919년 개기일식 동안 빛이 태양에 가까이 지나갈 때 처음 관찰되었으며, 그 이후로 멀리 있는 은하들이 렌즈처럼 작용하여 뒤에서 빛의 경로를 휘게 할 때 관찰되었습니다.

아인슈타인 방정식의 또 다른 예측은 거대한 물체 근처에 있으면 시간이 느려진다는 것입니다. 이것이 우리에게 위성 항법을 제공하는 GPS 위성의 신호를 수정해야 하는 이유입니다.

마찬가지로 Gravity Probe B라는 실험은 회전하는 거대한 몸체가 아인슈타인이 예견한 것처럼 꿀을 넣은 회전하는 숟가락처럼 시공간을 끌어당긴다는 것을 보여주었습니다.

중력은 블랙홀과 어떤 관련이 있습니까?

아인슈타인 이론의 예측은 일반적으로 그의 방정식의 단순화된 버전을 푼 결과입니다. 가장 초기의 것 중 하나는 모든 물질이 단일 지점인 '중력 특이점'에 있는 압축된 질량을 설명했습니다.

나중에, 노화된 일부 별들이 중력에 저항할 수 없고 스스로 붕괴하여 그러한 지점을 형성하여 블랙홀을 생성해야 한다는 것을 깨달았습니다 . 블랙홀의 중력은 너무 강해서 빛조차 빠져나갈 수 없습니다.

최초의 블랙홀 사진 – 은하 M87 중심

마찬가지로 일반 상대성 이론은 우주의 구조 자체가 팽창하고 수축할 수 있다고 예측했습니다. 이것은 관측과 결합하여 우주가 어떻게 발전했는지에 대한 최고의 이론인 빅뱅 모델의 기초가 되었습니다.

우주의 팽창을 가속화하는 것처럼 보이는 신비한 현상인 암흑 에너지를 밝힐 수 있는 것도 일반 상대성 이론입니다.

중력파란?

질량이 있는 물체는 공간과 시간을 휘게 하므로 물체가 공간을 통해 가속되면 주변의 시공간에 파문을 일으킬 것입니다.

이러한 잔물결을 중력파라고 하며, 마치 공중에서 위아래로 전자를 가속하여 라디오와 텔레비전의 전자기파를 생성하는 것과 같이 바깥쪽으로 이동합니다.

아인슈타인이 일반 상대성 이론을 개발한 직후에 예측한 중력파는 항상 수많은 소스에서 생성되어야 합니다. 그러나 중력은 매우 약한 힘이므로 이러한 파동을 감지하기가 매우 어렵습니다.

중력파 – 공간과 시간 구조의 잔물결 – 확인된 아인슈타인의 예측

2015년 9월 LIGO 실험이 중력파를 처음 관측했을 때, 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 시공간이 크게 교란된 결과였다.

LIGO의 감지기는 너무 민감하여 지나가는 차에서 해변에 부딪치는 먼 파도에 이르기까지 모든 진동을 제거해야 합니다.

중력파가 중요한 이유는 그것이 '아인슈타인의 이론을 증명'하기 때문이 아니라 – 우리는 이미 그것에 대한 많은 증거를 가지고 있습니다 – 빛조차 도달할 수 없는 초기를 되돌아보면서 우주를 연구할 수 있는 새로운 방법을 제공하기 때문입니다.

일반 상대성 이론이 모든 것을 설명합니까?

거의 확실하지 않습니다.

일반 상대성 이론은 매우 효과적이며 일상적인 물체의 행동에 대한 예측을 할 때 잘못되지 않습니다. Bang – 이론이 무너지는 곳.

아주 작은 것의 물리학은 양자 물리학에 의해 놀라운 정확도로 설명되지만 일반 상대성 이론과 양자 이론은 양립할 수 없습니다. 자연의 다른 모든 힘은 '양자화'되어 연속적으로 가변적인 양이 아니라 덩어리로 나타납니다.

가정은 중력에 대한 양자 이론을 개발하는 것이 가능해야 다른 힘들과 일치시키고 더 큰 물체에 대한 아인슈타인의 이론과 동일한 결과를 생성할 수 있다는 것입니다.

아직까지는 끈 이론/M 이론과 루프 양자 중력이 가장 좋은 시도이지만 어느 쪽도 아직 사용할 수 있는 예측을 내놓지 못했습니다.

중력은 아원자 입자로 인해 발생할 수 있습니까?

가능성이 매우 높고 이미 중력자라는 이름이 있습니다. 양자 이론이 전자기와 같은 힘의 전달을 나타내는 한 가지 방법은 '보손(boson)'이라고 하는 캐리어 입자의 흐름입니다.

전자기학의 경우 입자는 광자입니다. 각 입자는 양자화된 현상의 '양자'(덩어리)입니다.

따라서 중력이 양자 효과라면 중력자가 운반체로 있을 것이라고 가정합니다. 그러나 곧 Large Hadron Collider에 나타날 것이라고 기대하지 마십시오. 중력자는 탐지 가능한 방식으로 다른 입자와 상호 작용할 가능성이 매우 낮아 이를 발견할 수 있는 현실적으로 생각할 수 있는 실험이 현재 없습니다.

반중력과 같은 것이 있습니까?

우리가 알고 있는 것이 아닙니다. 전자기와 달리 중력은 단방향 효과입니다. 단지 끌어당길 뿐입니다. 우리는 다른 힘으로 중력을 상쇄할 수 있습니다. 당신은 당신이 뭔가를 집어들 때마다 그것을합니다.

반대하는 힘이 보이지 않는 전자기일 때(예: 자석 위에 무언가가 떠 있는 경우) 특히 인상적이지만 반중력은 아닙니다.

중력으로부터 보호할 방법도 없습니다. 중력은 모든 것을 통과합니다. 궤도에서 중력을 멈출 수 있다면 영구 운동 기계를 만들고 자유 에너지를 생성할 수 있습니다. 차단 물질로 물레방아의 각 패들의 같은 면을 칠하십시오.

바퀴의 한쪽에 있는 패들은 맨 면이 지구를 향하고 있으므로 중력이 당기는 느낌을 받는 반면 다른 쪽의 패들은 중력이 차단됩니다. 따라서 바퀴의 한 쪽만 아래로 당겨지고 영원히 회전합니다.

반중력을 발견할 수 있는 작은 기회는 반물질이 일반 물질에 의해 중력적으로 반발될 수 있다는 것입니다.

CERN의 과학자들은 곧 이것을 시험하기에 충분한 반물질을 갖게 될 것이지만, 대부분의 물리학자들은 그것이 정상적인 물질처럼 행동할 것이라고 생각합니다.