중력

1. 개요

2. 역사

• 아리스토텔레스

• 뉴턴

• 아인슈타인

3. 중력 법칙

3.1. 벡터 표현

4. 중력장

4.1. 질점계와 연속계

4.2. 중력장의 역선

5. 중력 퍼텐셜

6. 중력장에 대한 가우스 법칙

7. 응용

7.1. 중력 법칙을 이용한 케플러 3법칙의 유도

7.2. 구각 정리

7.3. 지구 표면의 중력

• 고도에 따른 중력 및 중력가속도의 변화는 이 문서를 참조할 것.

7.4. 중력 가속도와 인체

8. 일반 상대성 이론

• 중력의 작용 원리
  중력은 별도의 장(field)을 통해 입자에 작용하지 않고, 시공간에 곡률을 만들어 입자들이 그 지형을 따라 움직이도록 한다. 즉, 중력의 장은 시공간 자체이다.

• 중력의 대상
  중력의 영향은 질량에 연관이 없다. 즉, 정지 질량이 없는 빛 또한 중력의 영향을 동일하게 받는다. 이는 중력이 입자의 운동(관성)에 직접 관여하지 않는 것으로부터 곧바로 얻는 결과이다.

• 중력의 원천
  중력의 근원은 질량 밀도 [math(\rho)] 뿐 아니라 압력, 전단 응력 [math(p, \sigma)] 등을 모두 포괄하며, 궁극적으로는 4차원 스트레스 텐서인 스트레스-에너지 텐서 [math(T_{\mu\nu})]가 중력의 전체 원천(source)이다. 쉽게 말해, 시공간 자체가 아닌 모든 것을 중력의 원천으로 본다.

8.1. 아인슈타인 방정식

8.2. 슈바르츠실트 해

8.3. 중력파

8.4. 중력자

9. 기타

• 폴 디랙은 중력장의 무한함을 다음과 같이 표현했다.
  
  Pick a flower on Earth and you move the farthest star.
  
  
  지구에서 꽃 한 송이를 꺾으면 우주 끝에 있는 별들도 움직인다.
  
  

  ---

  
  
  폴 디랙

• 중력은 우주 최초의 힘(force)이다. 빅뱅 직후 [math(10^{-43})]초에 4가지 기초 상호작용 중 제일 먼저 생겨났으며 그 전에는 시간이 존재하지 않았었기 때문에 중력의 나이는 우주의 나이라고 할 수 있다.

• 저명한 물리학자 리처드 필립스 파인만이 본인의 강의 중에 중력에 대해 한 말이 유명하다.
  
  The gravitational force is weak. In fact, it's damned weak. but not negligible.
  
  
  중력은 약하다. 괘씸할 정도로 지독하게 약하다. 하지만 무시할 수도 없다.[19]
  
  

  ---

  
  
  James Gleick, "Genius –The Life and Science of Richard Feyman", (Abacus 1992) p.352
  
  실제로 중력은 알려진 4가지 힘 가운데 가장 약한 힘으로, 글루온에 의해 색소 전하(colour charge)를 지니는 강입자(Hadron) 사이에서 매개되는 강한 상호작용에 비해 [math(10^{-38})]배이다. 임팩트는 살짝 떨어지지만 중력을 제외한 가장 약한 힘인 약한 상호작용에 비해 [math(10^{-27})]배이다.[20] 나머지 3개의 기본힘에 비하면 이상할 정도로 힘이 약하다보니, 심지어는 다른 차원으로 힘이 새어나가는 거 아닌가 하는 이론까지 있다.[21] 중력이 얼마나 약한지 느낄 수 있는 간단한 실험이 있는데, 바로 초등학생 때 누구나 한 번쯤 해본 정전기 실험이다. 책받침을 옷에 몇 번 문지른 다음 바닥에 뿌려놓은 종이조각에 가까이 가져가면 종이가 책받침에 달라붙는 것을 볼 수 있는데, 대수롭지 않아 보이지만 실험의 결과를 조금 더 들여다 보면 고작 책받침과 옷으로 일으킨 미약한 정전기가 지구라는 천체가 발생시킨 중력을 간단히 이겨버린 것이다.
• 이런저런 이유로 테라포밍을 할 때 최종관문으로 꼽히는 부분이기도 하다. 물, 공기같이 행성 표면에 있는 건 어찌 할 수 있어도 중력을 조절하는 건 행성 자체를 개조하는 거와 다를 게 없기 때문. 방법으로만 치면 행성의 질량은 그대로 두고 행성의 직경을 변화시키면 행성 표면에서의 중력을 조절할 수 있다. 예를 들어 행성의 토사를 고도로 압축해 행성 직경을 축소하면 표면중력을 높일 수 있고, 행성 표면에 거대한 지지대를 무수히 건축하고 그 위에 서로 연결된 판을 얹어 제2의 표면을 만든다면 그 표면에서의 중력은 원래보다 낮다. 그야말로 행성 개조의 레벨로, 도저히 실용적인 방법이라고는 할 수 없다.
• 중력과 같은 힘이지만, 움직이는 질량에 의한 힘을 중력자기력 등으로 부른다, 자세한 것은 중력 자성 문서 참고할 것.
• 우리가 흔히 무중력이라 부르는 상태는 실제로 중력이 없는 상태가 아니다. 자세한 내용은 무중력을 참고하자.
• 창작물에 흔히 등장하는 반중력은 실존하지 않으며 물리학적으로 불가능하다는 것이 정설이다.
• 중력이라는 힘이 존재하지 않는다는 유사과학이 있다. 지구 평면설 신봉자들 중 일부가 이 유사과학을 주장한다. 해당 문서의 3.2.1. 문단 참조.
• '만유인력'을 읽을 때 [말:류일력]으로 발음하는 사람이 있으나, 표준 발음은 [마:뉴일력]이다.

10. 창작물에서

• 중력은 실제로는 엄청나게 약한 힘임에도, 창작물에서는 전자기력[22]과 맞먹거나 혹은 그 이상인 최상위급의 위력을 갖는 힘으로 묘사되는 경우가 대부분이다. 배틀물이나 거대로봇물 등에서는 최종보스급 캐릭터들이 중력을 기반으로 하는 능력을 사용하는 경우가 많으며,[23] 높은 중력을 극복하는 것이 뭔가 초인적인 노력이나 수련을 상징하는 것으로 묘사되기도 한다. 비록 약한 힘이지만, 질량이 어머어마하면 초신성을 일으키고, 중성자별이나 블랙홀 같은 천체를 만드는 힘이라는 점이 큰 인상을 준 듯 하다. 물리학 관련 학습만화가 아닌 한 강한 상호작용과 글루온[24]이나 약한 상호작용과 위크 보손 등 나머지 기본 상호작용을 다루는 능력은 보여주기도, 설명하기도 어렵고, 굳이 강한 캐릭터를 만들고 싶다면 중력과 전자기력 만으로 충분하다.

• 중력을 자의적으로 조작하는 이능력인 중력 조작은 속성 제어능력과 함께 대표적인 이능력 배틀물 단골 출현 능력. 독자적인 속성으로 나오는 경우도 많지만, 땅과 금속의 하위 속성으로 나오는 경우도 종종 있다. 보통 일정 범위 내의 중력을 조절하는 능력으로만 나오면 약체 취급을 면하기 힘들지만, 염동력에 가깝게 묘사되는 경우는 굉장히 강하게 나오는게 보통이다. 주로 중력을 조작 무게를 늘리거나 날아다니거나 방어하거나 하는 등이 대표적인 연출. 자세한 건 중력 조작 참조.

• 개인이 가진 능력이 아니라 기계 등의 특수한 요인으로 일정 지역만 중력이 이상이 있는 경우도 있다. 대표적으로 드래곤볼에서 오공은 심심하면 높은 중력조건하에서 수련한다. 고중력 행성의 생물이 저중력 생물보다 강하다는 것도 상당히 흔한 클리셰.[25] 하지만 현실적으로 생각하면 이미 성장이 거의 끝난 성인이 괜히 고중력을 통해 몸에 부하를 걸면 그대로 사망. 인간이 견딜 수 있는 중력은 위에도 상술했듯 [math(9\mathrm G)]이다. 그것도 단 몇초만.

• 영/유아기 때부터 고중력하에서 자라 이후 생장을 고중력에 맞추어 한다면 육체가 이에 적응해 괜찮을 가능성이 높다는 가설이 있지만 지금 기술로는 검증할 방법도 없고, 직접 실험하자니 심각한 윤리 문제도 발생해서 쭉 가설의 영역에 있게 될 듯하다.

• 반대의 경우로 중력이 낮은 곳에서는 지구인도 강해지지 않을까 하는 생각을 하게 되지만[26] 어차피 잠깐 강한 상태가 유지될 뿐이고 인체의 상태는 환경에 따라 변하기 때문에 저중력하에서 계속 생활하면 혈압과 골밀도에 서서히 이상이 오고 신체가 저중력에 맞춰 약화된다.[27] 대신 오래 있으면 키가 커진다. 하지만 골밀도를 줄이고 키를 늘리는 중력의 장난이므로 큰 기대는 하지 말자. 한마디로 키가 커지는 대신 뼈 안쪽은 텅텅 비어서 이전보다 몇 배는 더 부러지기 쉬운 뼈가 되는 것이다. 그 상태로 원래의 중력으로 돌아가면 와장창. 마찬가지로 슈퍼맨 역시 지구에 오래 살아왔기에 지구의 저중력에 적응. 자연히 힘이 약화되어야 하지만 작중에선 전혀 영향이 없다.

• 반대되는 개념을 반중력이라고 하며, 당연하지만 아직 발견되지 않았고 아마도 존재하지 않는 것으로 추정된다. 문서 참조.

• 어쌔신 크리드 브라더후드에선 그 누구도 자신을 죽일수 없다고 외치는 최종보스의 죽음을 이끌어내어 유저들에게 큰웃음을 주었다.

• 우주로 진출한 인류가 지구에 남은 기득권층과 대립하는 기동전사 건담에서는 단순한 물리적인 힘에서 나아가 철학적인 해석이 덧붙여진다. 샤아 아즈나블에 따르면 중력은 인간의 혼을 사로잡고 있는 힘으로, 그는 전 인류의 우주 진출에 의한 변혁을 추구하였다. 물론 외우주 콜로니 내부에서도 인공중력을 만들어내어 정상적인 중력이 적용되고 있기에, 샤아가 말하는 '중력' 이란 과학적인 의미가 아니다. 인류가 고수하는 사회체계와 거기서 나오는 문제점들-기득권층은 지구에 살며 하층민들을 우주 콜로니로 이주시키고, 지구에 사는 자신들은 기득권으로서 우주에 사는 하층민들의 생산물을 착취하는 불합리, 하층민들의 노동에 의지하면서도 이들을 멸시하는 차별행위는 우주세기씩이나 되었음에도 근본적으로 19세기, 20세기의 식민지 착취 체계와 하나도 달라진 것이 없다. 지온 다이쿤과 샤아는 인류가 우주로 나오며 과거 지구에서 살던 시절과는 전혀 다른 생활환경을 가지게 되었으므로 우주 시대의 신인류들이라면 과거 실패했던 공산혁명 등 지구 내에서의 혁명시도와는 달리 이런 구습을 진정으로 혁파할 수 있다고 보았고, 샤아는 해결책을 이런 특권층들이 오랜 세월 쌓아올린 모든 기득권들이 지구에 몰려 있으므로 결국 갈등의 근원인 지구를 때려부숴야 한다고 보았다. 쉽게 말해 무언가 가치있는 것이 있으면 다 그걸 가지고 싶어서 차별하고, 싸우고 하니깐 아예 그걸 다 때려부수고 다 평등하게 맨주먹으로 살자는 소리. 다들 가지고 싶어하는 것은 말할 것도 없이 지구와 지구에 오랜 세월 쌓인 문화유산, 인프라, 경제 등 모든 것이다. 이런 인류의 오래된, 그리고 반복되는 구습과 거기서 오는 사회의 병폐를 한데 묶어서 표현하는 단어가 '중력'인 것.

• 하쿠레이 레이무와 체셔 캣은 이 힘을 무시한다.

• 중력이라는 개념이 없는 고전 게임에다가 중력을 적용하면 기괴한 풍경이 펼쳐지게 된다. 대표적인 예가 Not Pacman과 Not Tetris 2.

• 일반 상대성 이론의 매력 때문에 다양한 SF에서 소재로 등장한다. 특히 워프나 블랙홀 등이 등장하는 작품과 땔래야 땔 수 없는 관계에 있다. 별의 목소리, 톱을 노려라, 인터스텔라 등의 SF 관련 창작물에서 스토리텔링의 주 요소로 사용되는 시간 지연도 마찬가지.

• 닥터후에서는 60주년 스페셜을 기점으로 중력이라는 단어가 '뭉력(Mavity)'으로 바뀌었다. 닥터와 도나 노블이 아이작 뉴턴을 만나고 떠났더니 뉴턴이 그들에게 중력이라는 소리를 들은걸 기억해내려다 뭉력으로 떠올려버린 여파.(...)

• 음악 분야의 경우, NELL의 중력 3부작 앨범이 있다.

• 죠죠의 기묘한 모험에서도 6부부터 중요한 소재로 등장하기 시작했다. 엔리코 푸치의 스탠드 화이트스네이크는 푸치 신부가 녹색 아기와 결합하면서 그린 그린 그레스 오브 홈의 제논의 역설스러운 능력과 결합한 여파로 중력을 밀어내는 C-MOON으로 진화했고, 이후 얻게 된 메이드 인 헤븐은 C-MOON의 중력 조작 능력이 강화되어 시간을 밀어내는 것으로 발전한 것이라 한다. 이 외에도 푸치 신부 본인이 사람과 사람의 만남을 중력이라고 하는 등 수차례 언급한다. 이 외에도 7부의 자이로 체펠리의 볼 브레이커의 노화시키는 능력이 중력과 연관이 있다는 듯한 묘사가 나오고, 8부의 야기야마 요츠유의 아이 앰 어 록 또한 능력에 걸린 대상에게 인공적인 중력이 생기게 만들어 요츠유가 지정한 물체가 그 인공적인 중력에 이끌려 대상자를 향해 모이도록 하는 능력이다.

• 신기한 스쿨버스에선 우주가 주제로 나올때 가끔 같이 다뤄진다. 애니메이션판 시즌4 8화에서 주요 주제로 나온다. 피비의 덩크슛 퍼포먼스 연습을 위해 중력을 조절하다가 사고가 일어난다.

11. 둘러보기