< 일러스트 OpenAI의 DALL·E 제공 >
중력, 어디서 나타난 힘이고 어떻게 끌어당기는 걸까
[위즈덤 아고라 / 이승원 기자] 지구상에 존재하는 생물에게 중력은 가장 보기 쉬운 힘이다. 어떤 물건을 떨어트렸을 때 아래로 가속하게 하는 것도 중력, 우리가 땅에 가만히 붙어있게 하는 것도 중력, 우리가 위로 뛰고 난 다음에 같은 위치로 떨어지게 하는 것도 중력이다. 그러나 중력은 단순히 물체를 아래로 끌어당기는 현상만을 의미하지 않는다. 중력은 모든 물질이 서로를 끌어당기는 힘으로, 두 물체 사이에 작용하는 인력이다.
중력은 네 가지 기본 힘, 중력, 전자기력, 강력, 약력 중에서는 가장 작은 힘이다. 그럼에도 중력이 가장 쉽게 관찰되는 이유는 그 작용 범위가 무한하고, 일상에서 경험할 수 있을 만큼의 효과를 가지기 때문이다. 전자기력과 강력, 약력은 아주 작은 원자 단위에서 발생하고 있는 힘이다. 말하자면 인간의 맨 눈으로는 직접적으로 관찰할 수 없다.
중력은 우주가 만들어졌을 때부터 존재했던 힘이다. 이 사실은 중력이 우리의 삶뿐만 아니라 우주 전체에 얼마나 많은 영향력을 끼치고 있는지를 보여준다. 만일 중력이 존재하지 않았다면 큰 질량 주변에 우주 먼지들이 모여 행성이 만들어질 수 없었고, 우주는 다양한 먼지와 물질들이 떠다니는 공간이었을 것이다.
중력을 발견한 사람은 누구일까?
최초로 중력의 개념을 적용한 사람은 아리스토텔레스이다. 아리스토텔레스는 만물의 4 원소인 흙, 물, 공기, 불의 순서로 갈수록 더욱 가벼워 지구의 중심으로부터 점차 쌓이게 되어 원래 자리인 그 순서로 돌아가려는 힘이라고 정의했다. 아리스토텔레스는 이러한 성질을 일종의 자연적인 운동으로 보았고, 오늘날 중력 개념의 초기 형태로 간주할 수 있다.
이후 17세기 과학 혁명으로 과학의 실험과 수학적인 개념이 중요해졌을 때, 뉴턴이 중력에 대해 재정립했다. 이후에 케플러가 케플러 법칙을 정리하고 갈릴레이에 의해 자유 낙하의 법칙이 정립되는 등 다양한 방면으로 중력이 점점 더 세세하게 확인되게 되었다. 뉴턴이 결정적으로 그때까지 밝혀진 사실들을 조각조각 맞춰서 하나의 책에 정리하였다.
그러나 중력에 대해 풀리지 않은 다양한 수수께끼들은 여전히 남아있었다. 20세기에 유명한 과학자가 나타나기 전까지는 말이다. 알버트 아인슈타인은 시공간이 절대적인 것이 아니라, 질량과 에너지에 의해 휘어진다는 새로운 관점을 제시하였다. 이를 통해 그는 일반 상대성이론을 발표하며, 중력을 시공간의 곡률로 설명하는 새로운 패러다임을 열었다.
이처럼 중력에 대한 개념은 수많은 과학자들의 연구와 수정, 발전을 거쳐 현재에 이르렀다. 미래에는 중력에 대해 더 많은 사실이 밝혀질 것이다.
중력이 적용된 예시들
중력은 산업 혁명에 큰 기여를 했다. 산업 혁명 초기에 중요한 기술들 중 하나는 수력 발전이었다. 수력 발전에서는 높은 위치에 저장된 물이 중력에 의해 아래로 떨어지면서 회전력을 만들어낸다. 이 회전력을 물레방아나 터빈을 돌리는 데 사용하여 에너지를 얻는 것이다. 이처럼 중력이 주는 에너지는 거대하다. 오직 물이 가진 에너지로 공장을 가동하는데 다른 물체들은 얼마나 큰 에너지를 가지고 있을지 가늠할 수 없다.
또한 중력은 다양한 스포츠에도 적용된다. 스키점프는 엄청나게 긴 내리막에서 중력을 통해 가속도를 얻은 후 점프한다. 그리고 비슷하게 스노보드나 스키도 중력으로 인해 속도를 얻으며 다양한 모습의 코스들을 내려간다.
무중력이란?
무중력 상태는 말 그래도 중력이 존재하지 않는 상태이다. 중력은 두 물체 사이의 상호적인 인력이다. 무중력이 성립하기 위해서는 단 하나의 물체만 존재하고 다른 물체들은 없거나 무한한 거리로 떨어져 있어야 한다. 그래서 인간은 무중력 상태라고 가정할 수 있지만 완전한 무중력을 실제로 경험하기는 힘들다. 대부분의 우주는 질량이 거대한 행성들과 별들로 이루어져 있다. 질량이 크면 클수록 다른 물체에 가하는 중력의 힘과 범위가 커진다. 이러한 이유로 우주의 대부분은 미미한 다른 별과 행성들의 중력들로 채워져 있다.
그러므로 실제로 우주에서 불리는 상태는 무중량, 즉 중량이 없는 상태가 더 맞는 표현이다. 실제로 인간을 포함한 모든 물체의 무게가 0에 수렴하며 당겨지는 힘도 0에 점점 수렴한다. 우주 비행사들이 공중에 둥둥 떠다니거나 공기가 있는 우주 정거장 같은 공간에서 물에서 수영하듯이 움직일 수 있는 상태가 흔히 불리는 무중량 상태이다. 많은 과학자들이 무중력의 잘못된 용어를 무중량으로 바꾸려는 노력이 있었지만 이미 과거부터 많이 이용되어 온 용어를 바꾸기에는 쉽지 않았다.
무중량에 반하는 우주 산업
다양한 생명체들은 지구에 살며 중력으로부터 많은 이점을 얻고 있다. 그러나 점점 심각해지는 기후 변화, 지구 온난화 등으로 다양한 생명체들은 적응하기 힘들어하고 있다. 심지어 몇몇은 이미 기후변화로 인해 멸종하였다. 비슷하게 인간의 적응력이 한계에 다다랐을 때엔 인간은 우주로 향할 것이다. 우주는 중력이 있는 지구와 다르게 미미한 중력만을 가지고 있다. 이 점을 대비하여 다양한 시장에서는 우주 무중량에 관한 다양한 산업이 발달하고 있다.
2024년 10월에 이탈리아 밀라노 미코 컨벤션센터에서 열린 국제 우주대회(IAC2024)에서는 다양한 우주 산업 아이템들이 발표되었다. 예를 들어 제이크 톰슨 롤스로이스 노블 뉴클리어 프로젝트 디렉터는 롤스로이스에서 17년 간 핵추진 시스템을 연구하고 개발한 경험을 통해 우주탐사에 필요한 소형 원자로를 개발 중이라는 것을 밝혔다. 제이크 톰슨 디렉터는 “달과 같은 환경에서 사용할 수 있는 소형 원자로를 설계 중” 이라며 “우주공간에서 원자력 에너지는 에너지 밀도가 높고 소형화가 가능해 우주 탐사에 필수적”이라고 밝혔다.
뿐만 아니라 우주에서 식물을 기를 수 있는 방법들이나 중력이 적은 공간에서 따라 마실 수 있는 샴페인 등 다양한 우주 무중량 상태에 적용되는 기술들이 발표되었다. 이 대회에는 한국 김정균 보령 대표도 참여하였다. 김정균 보령 대표는 인간이 우주 환경 조건에서 살 때에 나타날 수 있는 다양한 상태 이상들에 대해 연구할 것이라고 밝혔다.
이처럼 우주에서의 인간 생존뿐 아니라 더 나은 삶의 질을 위한 기술 개발도 활발히 이루어지고 있다. 이 발표는 인간이 우주에서 생존할 수 있는 기술들도 있었지만 다양한 인간이 우주에서 ‘잘’ 살 수 있게 하는 개발들도 있었다. 현재 우리는 우주에서 살 수 있다는 것을 확신한 상태이다. 연구원들은 더 많은 발전을 통해 우주에서 더 나은 삶을 살 수 있도록 연구를 하고 있다.
[위즈덤 TECH] 물리학은 사람들 사이에서 다가가기 어려운 학문으로 알려져 있습니다. 그러나 물리학은 우리가 하는 모든 움직임, 살고 있는 집, 현재 제가 사용하고 있는 이 노트북까지 물리학에 관련된 개념과 정보가 들어가 있습니다. 이렇듯 물리학 없이 살기 어려운 세상에서 물리학이 어떻게 일상생활에 사용되는지 재미있고 쉽게 배울 수 있는 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 이승원 기자의 ‘위즈덤 TECH’으로 일상생활에서 접할 수 있는 재미있는 물리학의 세계를 함께 배워 보세요.
