중력이 곡선을 만든다 – 일반상대성이론의 구조

중력은 끌어당기는 힘이 아니라, 시공간의 곡률이다

중력이 곡선을 만든다 – 일반상대성이론의 구조

목차

1. 뉴턴 중력관의 한계
2. 아인슈타인의 새로운 질문
3. 시공간의 곡률로서의 중력
4. 실험으로 검증된 이론
5. 오늘날의 우주와 일반상대성이론

1. 뉴턴 중력관의 한계

17세기 뉴턴은 만유인력 법칙을 통해 지구상의 물체부터 행성의 궤도까지 설명할 수 있었다. 그러나 이 이론은 중력이 어떻게 작용하는지, 혹은 왜 작용하는지를 설명하지는 못했다. 또 다른 한계는 중력이 즉시 작용한다는 전제였다. 이는 빛보다 빠른 속도로 정보가 전달된다는 것을 의미했으며, 특수상대성이론의 틀에서는 받아들여지지 않는 개념이었다.

2. 아인슈타인의 새로운 질문

아인슈타인은 중력이 단순한 힘이 아니라, 시공간의 성질에서 비롯된 현상일 수 있다는 생각을 품었다. 그는 가속도와 중력을 동일한 물리적 효과로 간주하는 '등가 원리'를 통해 출발했다. 엘리베이터 안에 있는 사람이 중력을 느끼는 것과, 우주 공간에서 가속되는 엘리베이터 안에서 느끼는 압력은 구별할 수 없다는 사실은 중력에 대한 새로운 해석의 단초가 되었다.

3. 시공간의 곡률로서의 중력

1915년 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표하며, 중력을 '질량이 만든 시공간의 곡률'로 설명했다. 물체는 외부 힘 없이 가장 짧은 경로를 따라 움직이는데, 이 경로가 곡률에 의해 휘어질 수 있다는 것이다. 시공간은 질량과 에너지에 의해 휘고, 그 곡률이 다시 물체의 운동을 결정한다. 즉, 질량이 있는 물체가 주변 시공간을 구부리고, 다른 물체는 그 곡선을 따라 움직이게 된다. 이 개념은 고전적인 ‘당기는 힘’이 아니라, 물체들이 자연스럽게 ‘내려가는’ 경로를 제공한다. 중력의 본질은 힘이 아니라 기하학적 구조로 재정의된 것이다.

4. 실험으로 검증된 이론

일반상대성이론은 단지 철학적 이론이 아니라, 수많은 실험으로 검증되었다. 가장 유명한 예는 1919년 아서 에딩턴이 관측한 일식 실험이다. 태