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Gravitation
이 글은 자연 현상에 관한 것이다. 다른 용도를 위해서는 다음을 참조하라. gravitation (disambiguation). 여기서는 중력을 재정의한다. 다른 용도를 위해서는 다음을 참조하라.gravity (disambiguation). 여기서는 중력 법칙과 이를 재 정의한다. 다른 용도를 위해서는 다음을 참조하라.Law of gravity (disambiguation).
중력은 모든 물리적인 물체들이 서로를 이끄는 자연적인 현상이다. 중력은 물리적인 물체들에게 무게를 주고, 그들을 떨어뜨렸을 때 땅에 떨어지도록 한다.
현대 물리에서, 중력은 일반 상대성 이론(proposed by Einstein)에 의하여 가장 정확하게 기술된 시공간의 곡률에 의한 결과이다. 거의 대부분의 상황에서, 중력은 중력이 두 물체의 질량에 정비례하고 거리 제곱에 반비례한다고 상정하는 뉴턴 법칙에 의하여 대략적으로 잘 들어맞는다. 모든 것의 이론, 즉 일반 상대성 이론과 양자역학(장 양자론)이 합쳐진 이론을 쫓으면 더 일반적인 양자 중력이론의 연구를 활성화시킨다. 이것은 중력이 graviton이라고 불리는 질량이 없는spin-2입자에 의해 중재되었고 대 통일 시대에서 핵전기력과 분리되었을 것이라고 가정한다.
중력은 자연에 존재하는 기본 힘 네가지중 가장 약하다. 중력은 대략적으로 강한 핵력에 비해 10^-38배 정도 약하다. 전자기력에 비해서는 10^-36배정도 약하며, 약력에 대해서는 10^-29배정도 약하다. 이 결과로서 중력의 효과는 원자규모에서는 무시해도 될 정도이며 일상 문제 내부의 특징을 결정하는데 아무런 역할을 하지 않는다. 그러나 중력은 거시적인 크기에서는 지배적인 힘이고, 이것은 위치, 모양, 그리고 소행성, 혜성, 행성, 별과 은하들의 천문학적 궤도를 만든다. 이것은 지구와 다른 행성들이 태양주위에 궤도를 만드는 것; 달이 지구 주위에 궤도를 만드는 것; 조수를 형성하는것; 자연적인 대류; 액체가 밀도와 중력에 영향을 받아 흐르는것; 별과 행성의 내부에서 매우 뜨겁게 가열되는것; 태양계, 은하계의 형성과 발전; 그리고 지구와 우주에 걸쳐 일어나는 매우 다양한 현상의 원인이 된다. 이것은 몇개의 이유가 있다; 중력은 모든 입자간 중력에 작용하는 유일한 힘이다. 이것은 무한한 거리내에서 작용하고 항상 끌어당기지만 절대 밀어내지는 않는다. 그리고 이것은 흡수되거나, 변형되거나, 상쇄되지 않는다. 심지어 전자기력이 중력보다 매우 세지만, 전자기력은 천문학적 물체에 대해서는 관련이 없다. 왜냐하면 이러한 물체들은 모두 같은수의 양성자와 전자를 가지고있어 서로 상쇄되기 때문이다.
내용 1.중력 이론의 역사
1.1 과학 혁명 1.2 newton의 중력이론 1.3 등가 원리 1.4 일반 상대성 이론 1.4 중력과 양자 역학
2.세부 사항
2.1 지구의 중력 2.2 지구 표면 근처에 떨어지는 중력 방정식 2.3 중력과 천문학 2.4 중력파 방출(중력방사) 2.5 중력의 속도
3. 이상 현상과 불일치
4. 대체 이론
4.1 역사적 대체 이론 4.2 최근의 대체 이론
5. See also
6. Footnotes
7. References
8. Further reading
9. External links
중력 이론의 역사
과학 혁명 현대 중력 이론은 galileo galiei시대인 16세기 후반부터 17세기 초에 시작되었다. 그의 유명한 피사의 사탑에서 공을 떨어뜨리는 실험과 경사면으로 구르는 공의 정밀한 측정으로 중력이 모든 물체를 같은 비율로 가속시킨 다는 것을 보였다. 이것은 기존의 aristotle의 무거운 물체가 더 빨리 가속된다는 믿음으로 부터의 중요한 진보였다. galileo는 가벼운 물체가 공기중에서 느리게 떨어지는 이유를 공기저항때문이라고 상정했다. galileo의 업적은 newton이론의 토대가 되었다.
newton의 중력이론 1687년,영국의 수학자 Isaac Newton경이 역자승의 법칙을 가정으로 하는 만유 인력에 대해서 Principia라는 책을 출간했다. 그가 말하길, 나는 이 힘이 행성간의 궤도를 서로의 중심 거리의 제곱으로 부터 돌도록 유지시키고 달이 지구 주위를 돌기 위해 필요한 힘과 비교하도록 추정하였다.그리고 그 답을 꽤 가까운 곳에서 찾을 수 있었다.
newton의 이론은 다른 행성의 행동에 의해 설명 될 수없는 천왕성의 움직임에 따라 해왕성의 존재를 예측하는 데 사용되었을 때 가장 큰 성공을 즐겼다. John Couch Adams 와 Urbain Le Verrier의 측정은 행성의 일반적인 위치를 예측했고, Le Verrier의 계산은 Johann Gottfried Galle가 해왕성을 발견하는데 주도했다.
수성의 궤도차이는 newton 이론의 결함을 지적했다. 19세기 말에, 수성의 궤도는 newton 이론으로는 완벽히 설명할 수 없는 약간의 변동을 보여주었다고 알려져 있지만 다른 변동을 찾는 모든 것(예를 들어 수성보다 더 가까운 행성)은 성과가 없었다. 이 이슈는 1915년에 Albert Einstein의 새로운 이론인 일반 상대성 이론으로 수성의 궤도차이를 설명함으로서 해결되었다. 비록 newton의 이론은 대체되었지만, 대부분의 비 상대론적 중력은 여전히 newton의 이론으로 계산한다. 왜냐하면 일반상대성 이론보다 간결하고, 충분히 작은 질량이나, 속도와 에너지를 포함한 대부분의 상황에서 충분히 정확한 결과를 주기 때문이다.
등가 원리
등가 원리는 Galileo, Lorand Eotvos 와 Einstein
을 포함한 연구자들의 모든 물체가 동일한 방식으로 떨어진다는 표현의 연속에 의하여 발견되었다.가장 쉽게 등가 원리를 시험해볼 수 있는 방법은 질량이나 구성요소가 다른 두 물체를 진공속에서 떨어뜨린 후 두 물체가 동시에 지면에 떨어지는지를 확인하는 것이다. 이런 실험은 마찰이 무시할 수 있을 정도 일때(공기저항을 포함한) 모든 물체는 같은 비율로 떨어진다는 것을 설명한다. 더욱 정교한 실험은 Eotvos가 발명한 비틀림 저울을 사용한다. STEP과 같은 위성실험은 더욱 정확하게 우주에서 실험한다.
일반 상대성 이론
일반 상대성 이론에서는, 중력의 효과는 힘 대신에 시공간의 곡률로 주어진다. 일반 상대성 이론의 시작점은 자유낙하와 동일시되는 관성운동과 지상에서는 비관성 관찰자에 상대적으로 가속되는 것으로 관성 물체의 자유낙하를 설명하는 등가 원리에서 시작한다. 반면, newton 역학에서는 적어도 하나의 물체가 하나의 힘에 대해서 작동하는 가속이 발견되지 않는다.
Einstein은 시공간은 물질에 의해 곡률이 생기고 자유 낙하하는 물체가 지역적으로 굽은 시공간을 따라서 직선으로 통과한다고 제안하였다. 이런 직선 통과를 지름길이라 부른다. newton 제 1법칙의 운동과 같이, Einstein의 이론은 물체에 힘이 작용하면, 지름길에서 벗어나는 상태이다. 예를 들어 우리는 더이상 서있을 때 지름길을 따라가지 않는다. 왜냐하면 지구의 기계적 저항이 위에있는 우리에게 가해지고 우리는 지상에서 비관성적이게 되기 때문이다. 이것은 왜 관성을 고려한 시공간에서 지름길을 따라 움직이는지 설명한다.
Einstein은 물질의 존재와 시공간의 곡률을 설명하는 그의 이름을 딴 일반 상대성 이론의 필드 방정식을 발견했다. Einstein의 필드 방정식은 10차 비선형 미분 방정식의 집합이다. 필드 방정식의 해는 곡률의 metric tensor의 구성 요소들이다.
metric tensor는 기하학적인 시공간을 기술한다.
metric tensor로부터 시공간의 지름길을 계산한다.
Einstein 방정식의 주목할만한 해는 다음과 같다.
The Schwarzschild solution, which describes spacetime surrounding a spherically symmetric non-rotating uncharged massive object. For compact enough objects, this solution generated a black hole with a central singularity. For radial distances from the center which are much greater than the Schwarzschild radius, the accelerations predicted by the Schwarzschild solution are practically identical to those predicted by Newton's theory of gravity.
The Reissner-Nordström solution, in which the central object has an electrical charge. For charges with a geometrized length which are less than the geometrized length of the mass of the object, this solution produces black holes with two event horizons.
The Kerr solution for rotating massive objects. This solution also produces black holes with multiple event horizons.
The Kerr-Newman solution for charged, rotating massive objects. This solution also produces black holes with multiple event horizons.
The cosmological Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker solution, which predicts the expansion of the universe.
일반 상대성 이론의 실험은 다음과 같다.
General relativity accounts for the anomalous perihelion precession of Mercury.[10]
The prediction that time runs slower at lower potentials has been confirmed by the Pound–Rebka experiment, the Hafele–Keating experiment, and the GPS.
The prediction of the deflection of light was first confirmed by Arthur Stanley Eddington from his observations during the Solar eclipse of May 29, 1919.[11][12] Eddington measured starlight deflections twice those predicted by Newtonian corpuscular theory, in accordance with the predictions of general relativity. However, his interpretation of the results was later disputed.[13] More recent tests using radio interferometric measurements of quasars passing behind the Sun have more accurately and consistently confirmed the deflection of light to the degree predicted by general relativity.[14] See also gravitational lens.
The time delay of light passing close to a massive object was first identified by Irwin I. Shapiro in 1964 in interplanetary spacecraft signals.
Gravitational radiation has been indirectly confirmed through studies of binary pulsars.
Alexander Friedmann in 1922 found that Einstein equations have non-stationary solutions (even in the presence of the cosmological constant). In 1927 Georges Lemaître showed that static solutions of the Einstein equations, which are possible in the presence of the cosmological constant, are unstable, and therefore the static universe envisioned by Einstein could not exist. Later, in 1931, Einstein himself agreed with the results of Friedmann and Lemaître. Thus general relativity predicted that the Universe had to be non-static—it had to either expand or contract. The expansion of the universe discovered by Edwin Hubble in 1929 confirmed this prediction.[15]
The theory's prediction of frame dragging was consistent with the recent Gravity Probe B results.[16]
General relativity predicts that light should lose its energy when travelling away from the massive bodies. The group of Radek Wojtak of the Niels Bohr Institute at the University of Copenhagen collected data from 8000 galaxy clusters and found that the light coming from the cluster centers tended to be red-shifted compared to the cluster edges, confirming the energy loss due to gravity.[17]
중력과 양자 역학 일반 상대성 이론이 발견되고 수십년 후, 일반 상대성 이론과 양자 역학이 양립할 수 업다는 것을 알아차렸다. 이것은 양자장 이론의 기본 틀이 다른 기본 힘과같이 중력을 설명할 수 있고, 이러한 중력의 흡인력이 가상의 중력자의 교환으로 인해 생성된다. 같은 방법으로 전자기력 또한 가상의 양성자의 교환으로 인해 발생한다. 이것이 일반 상대성 이론의 고전적 한계를 다시 만들어 낸다. 반면, 이런 접촉 실패가 일어나는 매우 짧은거리 (planck 거리) 에서는 양자 중력 이론이 더욱 잘 들어맞는다.
세부사항
지구의 중력 모든 행성은(지구를 포함한) 모든 물체를 끌어당기는 힘을 가하는 중력장으로 둘러쌓여 있다. 행성이 구형으로 대칭적이라고 가정하면, 이 장에서의 힘은 행성의 질량에 비례하고 행성의 중심으로부터 떨어진 거리의 제곱에 반비례하게 주어진다.
중력장에서의 힘은 수치상으로 물체에 같은 가속 영향을 미치며 지구의 표면에서는 g라는 표준 상수로 나타낸다. 국제 단위계에서 국제 사무국 (SI)에 따르면, 중력은 지구의 표준 가속도는 다음과 같다. g = 9.80665 m/s^2 (32.1740 ft/s^2) 이것은 공기저항을 무시하면 지구 표면 근처에서 자유낙하하는 물체는 초당 9.80665 m/s (32.1740 ft/s or 22 mph)의 속도가 증가하는 것의 의미한다. 그러므로 정지한 물체가 떨어지면 1초 뒤에는 9.80665 m/s (32.1740 ft/s) 의 속도를 가지고 2초 뒤에는 19.62 m/s (64.4 ft/s) 의 속도를 가진다. 어쨌든 초당 계속해서 9.80665 m/s (32.1740 ft/s)의 속도를 얻게 된다. 또한 공기 저항을 무시한다면 어떤 모든 물체든 같은 높이에서 떨어뜨리면 같은 시간에 땅에 떨어진다.
newton 제 3법칙에 따르면 지구 자체는 떨어지는 물체에 대하여 크기가 같도 방향이 반대인 힘을 받게 된다. 이것은 지구 또한 물체 쪽으로 가속되어 충돌한다는 것을 의미한다. 하지만 지구의 질량이 굉장히 무겁기 때문에 물체가 받는 힘에 비하여 지구가 받는 반작용 힘은 무시해도 될 정도이다. 만약 물체가 지구와 충돌한 후 튕기지 않는다면, 서로가 끌어당겨 더욱 더 가속되는 것을 막아 균형을 맞추기 위해서 서로 밀어내는 힘을 가할 것이다.
지구 중력은 두 힘의 벡터합이다. (a)newton의 만유인력 법칙에 따른 인력과(b)지구 자전으로 인한 원심력 이다. 적도에서, 중력은 지구 자전에 의한 원심력으로 인해 가장 약하다. 중력은 위도에 따라 변하며 위도가 증가할수록 중력도 세진다. 표준값인 9.80665 m/s^2 은 비록 그것이 매우 크게 나타났다고 하더라도 1901년에 국제 위원회에 의해 위도 45도인 지점에서 측정된 값이다. 45 °32'33 "이 더 정확한 값이지만 기상학 및 몇몇 곳에서는 45 °로 표준 기압을 유지했다.
지구 표면 근처에 떨어지는 중력 방정식 중력이 일정하다고 가정하면, newton의 만유인력 법칙은 간단히 f=mg로 정의할 수 있다.(m=질량,g=9.81 m/s^2) g는 중력 가속도와 같다. 처음 정지한 물체가 자유낙하 할 때 떨어진 거리는 시간의 제곱에 비례한다. 오른 쪽 그림은 초당 20번의 사진을 찍는 stroboscope를 0.5초 동안 나타낸 것이다. 처음 1/20초 동안 1unit(1unit=12mm)을 떨어졌고 다음 2/20초 동안에는 4unit을 떨어졌고 3/20초동안에는 9unit을 떨어졌다 중력이 일정하다고 가정하면 위치 에너지,Ep 에서 높이 h를 주면 Ep=mgh이다. 이 표현은 지구 표면의 오직 좁은 거리의 h에서만 유효하다. 비슷하게 속도v와 g로 투영되는 h=v^2/2g로 표현되는데 이는 역시 좁은 거리의 높이와 작은 초기속도에서만 유용하다.
중력과 천문학 newton 법칙에서 중력의 발견과 적용은 태양계에서 행성의 정보와, 태양의 질량과 별과의 거리, 퀘이사와 심지어는 암흑물질까지 자세하게 설명해 주었다. 비록 우리가 태양계를 전부 여행한 것은 아니지만 우리는 그들의 질량을 안다. 이 질량은 궤도를 측정해 그 특성에 중력의 법칙을 적용하여 얻을 수 있다. 우주에서 물체는 중력의 힘이 작용하기 때문에 그들의 궤도를 얻는다. 행성은 별의 주위를 , 별은 은하계 중심의 주위를, 은하는 은하군의 중심의 주위를, 그리고 은하군은 초은하군의 주위의 궤도를 가진다. 중력의 힘은 각각의 물체의 질량과 정비례하고 그들 사이의 거리에 제곱에 반비례한다.
중력파 방출(중력방사) 일반 상대성 이론에서, 중력 방사는 같은 궤도의 물체와 같은 시공간의 굴곡의 진동에 의해 생성된다. 태양계에서의 중력파 방출은 매우 작은 값으로 측정된다. 하지만 중력 방사는 PSR B1913+16과 같은 진 펄서가 에너지를 잃을 때 간접적으로 관측된다. 중성자 별의 합병과 블랙홀의 생성이 많은 양의 중력 방사를 관측 할 수 있게 할 것이라고 믿어진다. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO)와 같은 중력 방사 검출 관측 연구소는 이러한 문제를 연구하기 위해 만들어졌다. 이 가상의 방사선은 관측이 확인된 바가 없다.
중력의 속도 2012년 12월, 중국의 연구팀은 보름달 동안 지구의 조수 위상지연을 측정해 중력의 속도가 빛의 속도와 동일하다는 것을 증명했다. 팀의 연구 결과를 2013년 2월에 Chinese Science Bulletin에 발표했다.
이상 현상과 불일치
여기서는 중력이론으로 설명한것과 정확히 들어맞지 않아 중력 이론보다 다른 이론으로 설명하는게 더 나은 몇가지 관측이 있다.
extra-빠른 별: 은하 안의 별들 중에서는 별들이 따라가는 정상적인 분포에서 벗어나 더욱 빠르게 움직이는 별들이 있다. 나선에서의 국지적 현상은 보편적인 회전곡선을 참조하라. 은하와 은하군은 비슷한 패턴을 보인다. 암흑 물질은 중력이 아니라 전자기적 상호작용을 하는 것을 설명하기 위한 것이다. 다양한 뉴턴 역학의 수정 또한 제안된다.
저공 비행 이상: 다양한 우주선들은 gravity assist maneuvers 동안 예상했던 것보다 큰 가속을 경험했다.
가속 확장: 우주는 가속 팽창하는 것처럼 보인다. 이를 설명하기 위해 암흑 에너지(진공 에너지)가 제안되었다. 최근의 다른 설명은 기하학적으로는 우주가 균일하지 않으며(은하군에 대하여) 이 점을 고려하여 데이터를 재해석 해서 설명하면 가속 팽창하지 않는다는 것이다. 하지만 이 결론은 논란이 되었다.
천문학 단위의 비정상적 증가:최근의 측정은 행성 궤도가 태양의 에너지 방사로 인하여 질량을 잃는 것 보다 빠르게 넓어진다는 것을 표시한다.
추가 에너지 광자:광자는 은하군을 여행하면서 에너지를 얻고,잃는다. 우주의 가속 팽창은 광자의 모든 에너지가 반환되는 것을 막을 것이지만 광자로부터 발생한 우주 배경 복사는 예상한 값보다 2배나 많은 에너지를 가지고 있다. 이것은 특정 거리에서는 중력이 거리의 제곱에 반비례하는 것보다 빠르게 줄어든다는 것을 나타낼 수도 있다.
추가 질량 수소 구름: Lyman alpha 계열의 스펙트럼은 수소구름이 예상했던 것 보다 더욱 서로 무리지어있다고 제안한다. 그리고 dark flow같이 특정 거리에서는 중력이 거리에 제곱에 반비례하는 것 보다 느리게 줄어든다는 것을 나타낼 수도 있다.
Alternative theories
Main article: Alternatives to general relativity
Historical alternative theories
Aristotelian theory of gravity
Le Sage's theory of gravitation (1784) also called LeSage gravity, proposed by Georges-Louis Le Sage, based on a fluid-based explanation where a light gas fills the entire universe.
Ritz's theory of gravitation, Ann. Chem. Phys. 13, 145, (1908) pp. 267–271, Weber-Gauss electrodynamics applied to gravitation. Classical advancement of perihelia. Nordström's theory of gravitation (1912, 1913), an early competitor of general relativity.
Kaluza Klein theory (1921)
Whitehead's theory of gravitation (1922), another early competitor of general relativity.
Recent alternative theories
Brans–Dicke theory of gravity (1961) [30]
Induced gravity (1967), a proposal by Andrei Sakharov according to which general relativity might arise from quantum field theories of matter ƒ(R) gravity (1970)
Horndeski theory (1974) [31]
Supergravity (1976)
String theory In the modified Newtonian dynamics (MOND) (1981), Mordehai Milgrom proposes a modification of Newton's Second Law of motion for small accelerations [32] The self-creation cosmology theory of gravity (1982) by G.A. Barber in which the Brans-Dicke theory is modified to allow mass creation Loop quantum gravity (1988) by Carlo Rovelli, Lee Smolin, and Abhay Ashtekar
Nonsymmetric gravitational theory (NGT) (1994) by John Moffat
Tensor–vector–scalar gravity (TeVeS) (2004), a relativistic modification of MOND by Jacob Bekenstein
Gravity as an entropic force, gravity arising as an emergent phenomenon from the thermodynamic concept of entropy.
In the superfluid vacuum theory the gravity and curved space-time arise as a collective excitation mode of non-relativistic background superfluid. Chameleon theory (2004) by Justin Khoury and Amanda Weltman.
Pressuron theory (2013) by Olivier Minazzoli and Aurélien Hees.
See also
Portal icon Gravitation portal
Angular momentum
Anti-gravity, the idea of neutralizing or repelling gravity
Artificial gravity
Birkeland current
Einstein–Infeld–Hoffmann equations
Escape velocity, the minimum velocity needed to escape from a gravity well
g-force, a measure of acceleration
Gauge gravitation theory
Gauss's law for gravity
Gravitational binding energy
Gravity assist
Gravity gradiometry
Gravity Recovery and Climate Experiment
Gravity Research Foundation
Jovian–Plutonian gravitational effect
Kepler's third law of planetary motion
Lagrangian point
Micro-g environment, also called microgravity
Mixmaster dynamics
n-body problem
Newton's laws of motion
Pioneer anomaly
Scalar theories of gravitation
Speed of gravity
Standard gravitational parameter
Standard gravity
Weightlessness
Footnotes
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Jump up ^ *Chandrasekhar, Subrahmanyan (2003). Newton's Principia for the common reader. Oxford: Oxford University Press. (pp.1–2). The quotation comes from a memorandum thought to have been written about 1714. As early as 1645 Ismaël Bullialdus had argued that any force exerted by the Sun on distant objects would have to follow an inverse-square law. However, he also dismissed the idea that any such force did exist. See, for example, Linton, Christopher M. (2004). From Eudoxus to Einstein—A History of Mathematical Astronomy. Cambridge: Cambridge University Press. p. 225. ISBN 978-0-521-82750-8.
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Further reading
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External links
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Hazewinkel, Michiel, ed. (2001), "Gravitation", Encyclopedia of Mathematics, Springer, ISBN 978-1-55608-010-4
Hazewinkel, Michiel, ed. (2001), "Gravitation, theory of", Encyclopedia of Mathematics, Springer, ISBN 978-1-55608-010-
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