첫번째 편에서 시간에 대해 살펴봤으니 자연스럽게 공간으로 이어집니다.
(1편:2025.04.28 - [문과 아빠의 과학/세상의 원리 물리] - 1. 시간은 무엇인가?)
질량이 있는 물체는 중력이 있고 중력은 시공간이 휘는 것이다
공간도 시간과 마찬가지로 문과 아빠에게는 혼란과 빡침을 줍니다.
공간은 그냥 비어있는 곳인데 휘어진다는게 무슨 말이야? 공간은 그냥 있는거 아니야?
현대 물리학에서는 역시 아니라고 합니다. 공간은 단순 비어 있는 것이 아니고 휘어지고 변하는 구조랍니다.
같이 보시죠.
고전적 개념의 공간은 "비어 있는 무대" 였습니다
뉴턴(Newton)은 공간에 대해 다음과 같이 정의했습니다.
공간은 사물과 무관하게 존재하는 절대적인 무대이다. 물체들은 이 무대 위를 자유롭게 움직인다.
공간은 단지 물체들의 움직임을 위한 "빈 그릇" 같은 존재다.
문과아빠에게 매우 마음에 드는 말입니다.
사람은 어떤 지점에 있고, 사물은 일정한 거리에 있으며, 공간은 단순히 그것을 담는 그릇 같은 것이죠.
즉, 고전적 관점에서는 공간 자체는 아무런 성질도, 영향도 가지지 않습니다.
공간은 단지 ‘그릇’이고, 물체들이 주인공이라는 것이 고전 물리의 기본 전제였습니다.
그런데, 아이작 뉴턴(1643-1727) 과 동시대를 살았던 라이프니츠(1646-1716)은 생각이 달랐습니다.
"공간은 물체들 사이의 관계를 나타내는 방식일 뿐이다."
공간은 사물들의 상대적 위치를 표현하는 방법이다.
사물이 없다면 공간도 정의 수 없다.
즉, 공간은 독립적인 실체가 아니라 관계적 개념이라고 생각했습니다.
현대 물리학에서 이 관점 뒷받침하는 증거가 관찰되고 이론적으로 설명됩니다.
공간이 변한다, 휜다는게 무슨 말인가 싶습니다만 우리 문과는 일단 봐야 믿지요.
실제로 공간이 변한다는게 관찰됩니다.
1919년, 에딩턴의 실험에서 태양 주변을 지나가는 별빛이 휘어지는 것이 관측되었습니다.
허블 우주 망원경 등을 통해서 거대한 은하단이 뒤에 있는 은하의 빛을 휘게하여 마치 여러개의 렌즈처럼 여러개의 이미지를 만드는 중력 현상이 관측되었습니다.
아인슈타인이 이론적으로 뒷받침한
거대한 질량을 가진 태양, 별 등의 물체가 공간을 휘게 하여 빛이 휘는 것 처럼 보인 것입니다.
여기서 문과 아빠는 또 의문입니다.
빛이 중력같은 것의 영향을 받아서 이상하게 움직인 것이지, 공간이 휘었다는게 말이되?
정말 예리한 질문을 한 것 같아서 뿌듯하지만, 과학적으로는 조금 다릅니다.
중력은 질량을 가진 물체 사이에서 작용합니다. 그런데 빛이 질량이 있나요?
빛의 질량은 0이고 에너지만 가지고 있습니다.
휘어진 공간을 따라 움직이기 때문에 중력장이 있는 공간에서 경로가 바뀌는 것 처럼 보입니다.
즉, 빛은 힘을 받은 게 아니라, 휘어진 공간의 곡선을 따라 직진한 것입니다.
그 유명한 아인슈타인의 상대성 이론(1915)이 이것을 설명한 것입니다.
질량과 에너지는 공간(정확히는 시공간)을 휘게 만든다. 별,행성 등은 주변의 공간과 시간 자체를 휜다
다른 물체는 그 휘어진 공간을 따라 움직인다.
→ 중력은 '힘'이 아니라 '공간구조의 변화'다
마지막 문장이 중요합니다.
우리는 중'력', 만유인'력' 이라는 말에 익숙해서 당기는 힘을 생각하기 때문에 공간이 휜다는 받아들이기가 어렵지만 과학적으로 밝혀진 사실은
두 물체가 당기는게 아니고 두 물체사이의 공간이 수축되는 것이며, 물체는 그 공간을 최단 거리로 움직이는 것 뿐이라는 말입니다.
인공위성을 예로 들면 인공위성이 원운동을 하는 것 처럼 보이지만, 사실은 휘어진 공간을 따라 직진운동을 하고 있다는 뜻입니다.
공간이 휘다는 사실은 과학자들이 우주를 바라보는 시각을 엄청나게 바꾸었습니다.
이전까지는 공간(우주)는 무대일 뿐이고 물질이 주인공이라고 생각했지만
이제는 질량과 에너지가 공간을 바꾸고, 바뀐 공간이 질량과 에너지의 움직임을 바꿉니다.
다시말해, 우주는 단순한 무한 평면이 아니고 형태와 구조를 가진 실체적 존재라고 생각하게 되었습니다.
트랙에서 달리는 선수만 플레이어가 아니라 트랙 자체가 플레이어가 된 것입니다.
과학자들은 우주를 하나의 동적인 존재, 혹은 수학적 구조물, 정보가 담긴 실체로 바라보기 시작했고, 이는 블랙홀, 우주의 곡률, 홀로그램 우주론 같은 해석으로 이어졌습니다. 이런 이론들은 나중에 기회가 되면 살펴보겠습니다.
문과적으로 한문장으로 요약하면 다음과 같습니다.
공간(우주)는 정지해 있는 것이 아니고 물질과 상호작용하는 실체가 있는 구조이며 실제로 그렇게 관측된다.
다음 편 예고
[3편] 시공간은 무엇인가? — 공간과 시간의 통합
공간과 시간은 각각 따로 존재하지 않는다.
이전글: 2025.04.28 - [문과 아빠의 과학/세상의 원리 물리] - 1. 시간은 무엇인가?
'문과 아빠의 과학 > 세상의 원리 물리' 카테고리의 다른 글
| 1. 시간은 무엇인가? (1) | 2025.04.28 |
|---|