중력이라는 게 거리의 제곱에 반비례한다고 아까 얘기했잖아요. 그러면 지구 중심에서 나를 생각해 보면, 내 발까지 거리랑 내 심장까지 거리랑 내 머리까지 거리가 다르잖아요.

내 몸에서 시간이 다르게 흐르죠. 내 머리랑 내 심장이랑 내 발, 인사할 시간도 많습니다.

여러분의 시간을 낭비해 드려서 느리지만, 란과 랩 미팅입니다.

반갑습니다 교수님들, 반갑습니다. 뉴턴의 법칙은 틀리지 않다.

그럼 왜 시간이 바뀌지? 하면 빛의 속도가 무한이 아니라서 그렇다라고 얘기해요.

무슨 말이냐 하면, 이 빛이 목성에서 이쪽으로 딱 나왔잖아요.

근데 이걸 우리가 보려면, 빛이 지구까지 와야 되잖아요. 지구가 점점 멀어지고 있으면 오는 시간이 더 걸리잖아요.

근데 반대로 지구가 저 쪽으로 가고 있으면 오는 시간이 더 빨라질 수 있어요.

그만큼 차이로, 그래서 저 레용하는 사람이 한 게 뭐냐면 이걸 가지고 빛의 속도를 구했어요.

저때는 컴퓨터도 없었잖아요. 그냥 초시계를 같은 걸로 눈으로 보면서 잖아요.

테플로 이전에 데이터를 눈으로 관측한 데이터를 가지고 계산을 한 거거든요.

이때 사람들은 진짜 대단했던 거 대단한 것 같아요.

호가 한 바퀴 도는데 42시간 동안 지구가 얼만큼 이동하는지 이렇게 계산해 보면 대충 빛의 속도가 나와요.

레모라 사람은 관측을 했는데 뉴턴이 틀렸다는 게 아니고 뉴턴의 법칙은 맞다.

그러면 우리가 빛의 속도를 구할 수 있다라는 결론을 이제 내리는 겁니다.

위기는 이제 해결되죠. 오히려 뉴턴의 법칙은 진짜 맞는가 보다.

근데 또 위기가 닥칩니다. 그 위기가 뭐냐 하면요 수금지화 목도 천.

그때까지만 해도 이제 천왕성까지 사람들이 이제 봤단 말이죠.

천왕성이 돌고 있는 궤도를 이제 계산을 해야 되는데 뭐 태양이 당기니까 이렇게 되겠지.

근데 목성 중간에 있으니까 목성 당길 거고 이렇게 딱 계산을 했더니 이상하게 천왕성이 궤도가 안 맞다는 궤도가 틀어진다.

그 르베리에 아는 사람과 저 애덤스는, 애덤스는 사람이면 며칠 늦었다 그래요.

저 보고가 그래서 사람들이 다 르베리에 말고 있는데 좀 억울할 것 같아 갖고 제가 둘 다 들고 왔습니다.

그래서 저 두 명이 어 얘기한 게 뭐냐면, 천왕성의 궤도가 왜 틀어지나 하면 천왕성 밖에서 뭔가 천왕성을 당기고 있을 거야.

그것 때문에 틀어질 거고, 그럼 그 위치를 계산할 수 있잖아요.

지금 저기에 망원경으로 보면 저기에 뭐가 있을 거야.

그래서 거기 망원경을 봤더니 해왕성이 거기서 나왔죠. 요게 이제 해왕성 발견한 스토리입니다.

결국은 뉴턴 법칙이 위대하죠. 그니까 결국은 해왕성까지 찾아내 버리잖아요.

흘린 것 같아서 자세히 봤더니 보너스로 뭔가 계속 나와 빛의 속도도 나오고 해왕성 발견이 돼.

근데 세 번째 위기가 수성입니다.

수성이 태양에서 제일 가까운 거잖아요. 그래서 태양 주 이렇게 도는데, 이게 정확히 말하면 이게 타원 운동이든 타원 이렇게 하면 태양에서 제일 가까울 때가 있고 좀 멀어질 때가 있잖아요.

제일 가까울 때 우리가 근일점이라고 얘기를 해요.

포인트가 계속 바뀌어요. 각도가 틀어지니 그 1도에 1분의 1이 1초입니다.

1도에 36분의 1이 1초인 저거 얼만큼 틀어지면 5,600 틀어져요.

와, 이거 왜 왜 틀어지지? 근데 알고 보니까 지구가 세차 운동을 하고 있어서 그래서 다 계산했어요.

그랬더니 답이 얼마 나오냐면 5,557초가 나옵니다. 근데 정확히 그렇죠.

이게 문제입니다. 1도에 3600분, 43초가 아주 작은 거긴 한데 이게 설명이 안 되는 거예요.

저게 사실은 100년에 43초 틀어집니다.

자, 이제 설명이 안 된다. 어떻게 해야 되지? 리베리아 사람이 다시 등장합니다.

수성이 지금 그들 틀어지지. 그 왜 틀어지나 하면 수성의 안쪽에 우리가 발견하지 못한 게 뭔가 한 가지 더 있어.

그리고 그 이름을 벌컨이라고 이름을 짓습니다.

거기에다 사람들이 막연히 딱 됐죠. 안 나왔어요.

그 벌컨이 발견되지 않는 게 문제죠. 뉴턴의 법칙은 그렇게 위대한 법칙인데 그걸 설명을 못해요.

그걸 해결한 사람이 누구냐, 아인슈타인이 나오면서 아인슈타인이 얘기한 게, 저건 안에 뭔가 행성이 있는 게 아니고 그냥 공간이 휘어서 그런 거야라고 일반 상대성이론으로 이제 얘기를 합니다.

결국은 뭐냐면 뉴턴의 법칙이 틀렸다는 이게 과학의 본질입니다.

그렇게 위대한 법칙도 틀릴 수 있다는 겁니다.

반증 가능성. 아인슈타인이 일반 상대성이론을 정확히 공간이 휘어 있다고 얘기하면서 계산해서 43초를 딱 발견했죠.

그걸 계산하고 그렇게 기뻤다 그래요. 드디어 설명을 했다. 근데 잘 생각해 보시면 여기까지 아인슈타인이 얘기한 거는 그냥 설명할 수 있는 방법을 하나 얘기했을 뿐이에요.

아직은 과학이 안 됩니다. 과학이 되려면 예측을 해야 됩니다.

그래서 단지 여기서 그냥 뉴턴이 틀렸어, 이게 맞아. 그러면 그냥 가능한 가설을 하나 얘기한 것뿐이고, 되려면 자, 이게 맞으면 어떤 일이 발생할 거야.

어떻게 얘기했냐면, 공간이 휘어 있으니까 빛이 이렇게 오다가 태양을 주위를 지나가면서 슉 휘어버릴 거다라고 얘기를 합니다.

이렇게 오다가 이렇게 슉 휘어버리니까 실제로 우리가 보면 그 다른 데 있는 것처럼 보이는 거죠.

그러면 저거를 확인을 해야 되잖아요. 태양을 돌아서 들어오는 걸 봐야 되기 때문에 낮에 봐야 되잖아요.

예, 근데 낮에는 너무 밝아서 볼 수가 없잖아요. 그래서 일식이 일어날 때 보일 거야라고 예측을 합니다. 일식이 일어날 때, 저 여기 있는 별의 위치가 달라질 거다라는 걸 예측을 하고, 저 에딩턴이라는 사람이 일식이 일어날 때 찾아가서 실제로 그 관측을 하죠.

관측을 해서 그다음에 이제 뉴스에 나온 게 저겁니다.

그래서 대서특필 되죠. 예측을 했고, 그게 맞았다는 겁니다. 제가 설명 드리고 싶은 것은 과학의 본질이 있고요 그래서 일반 상대성 이론 이렇게 설명할 수 있지만 그게 맞으면 어떤 예측을 해야 되고 그 예측을 반드시 검증해야 된다.

그게 이제 과학의 본질이 되겠다라는 겁니다. 고전 역학을 얘기하면 제가 뉴턴에서 시작을 했잖아요.

과학의 조건이 세 가지 이게 과학의 조건이고, 근데 물리는 사실 하나가 더 있어요.

물리학자들이 되게 좋아하는 게 뭐냐면요, 이거예요.

보편성, 이거 되게 좋아요. 그래, 누구에게나 다 적용되는 그냥 법칙 하나로 자연의 모든 걸 설명하고 싶은 거예요.

그렇죠? 요게 이제 과학의 조건이 있고, 그래서 여러분 이제 보시면 주변에 유사 과학도 많고요.

그래서 막 이상한 것들이 많습니다. 그리고 과학적이다 했을 때 그 과학은 도대체 뭘까, 요런 특성을 가진다는 겁니다.

과학은 확실성이 아닙니다. 과학은 불확실성에 대한 개방성, 틀릴 수 있다는 걸 항상 인정할 때, 그게 과학이 되는 겁니다.

오늘 보신 여러분들은 적어도 과학이 뭔지 알아야 되고, 과학은 틀릴 수 있지만 또 무언가를 예측할 수 있어야 한다고 말씀드렸습니다.

그 예측한 것을 검증할 수 있는, 그 검증 가능성이 있는 게 바로 과학입니다.

그게 바로 과학입니다. 자, 그러면 만력 법칙과 힘과 가속도의 법칙, 즉, 저 두 개의 법칙을 사용하면 세상을 다 설명할 수 있다고 얘기를 했어요.

근데 여기서 잘 생각해 보시면 두 법칙은 다른 법칙입니다.

만력의 법칙이 뭐냐 하면, 질량을 가진 두 물체가 서로 당긴다는 겁니다.

힘과 가속도는 뭐냐 하면, 질량을 가지고 있으면 내가 이렇게 밀면 어떤 가속도를 가지게 된다는 게 힘과 가속도의 법칙인데, 둘 다 질량이 있잖아요.

이 두 개의 질량은 같을 이유가 없습니다. 다른 법칙이죠.

질량을 가진 두 개는 그냥 당기는 거예요. 이런 법칙이라, 얘가 밀면 이렇게 가는 거고, 밀면 가는 게 얼마큼 가는지, 무거우면 얼마 못 가는 거죠.

이렇게 얘기하는 게 그게 질량입니다. 두 개의 질량은 다릅니다.

질량, 이것도 질량이 생각하는데 같을 이유가 전혀 없어요. 그래서 물리에서 구분합니다.

말에서 얘기하는 질량을 중력 질량이라고 하고, 힘과 가속도에서 얘기하는 걸 관성 질량이라고 합니다.

중력 질량을 보통 우리가 무게라고 얘기합니다.

그래서 여러분의 몸무게, 여러분들이 달에 가면 1로 줄어든다는 그 크기, 질량이 여러분들이 생각하고 계시지만 여러분의 몸무게라고 얘기하잖아요, 그죠?

예, 달에 가면 체중기로 가면 몸무게 줄어요.

근데 달에서 내가 힘을 줘서 얘가 움직일 때 이건 중력하고 상관없거든요.

그냥 내가 힘을 주면 얘가 이렇게 간다는 건데 이때 가속도는 집에서 하든 달에서 하든 바뀌지 않거든요.

그러면 이제 과학자들이, 근데 같은 거 같은데, 그래서 제가 아까 어떻게 했냐면요, 두 개식이 있잖아요.

위에는 이렇게 있고요, 그리고 밑에는 힘과 가속도의 법칙인데, 저를 갖다가 밑에 넣고 약분이 있어요.

질량이란 걸 두 개를 약분을 해서 제가 말씀을 드렸거든요.

근데 이 두 개의 질량은 같을 이유가 없거든요.

그래서 약분이 안 되면 어떻게 되죠? 아까 그냥 지우셨나요? 그러면 그냥 약분이 안 되는 거예요.

이렇게 해서 중력 관련된 것들을 했거든요. 같아야 될 이유가 없습니다.

근데 지금 색깔이 다르잖아요. 지울 수가 없는 거예요. 색깔이 다르면.

지우면 안 돼요. 저 안 지워주면 어떻게 되죠? 그러면 중력 가속도가 달라진다는 거거든요.

만약에 저게 사실이면 물체마다 떨어지는 속도가 다 를 겁니다.

깃털이 천천히 떨어지는 이유는 공기 저항 때문이에요. 그래서 실제로는 얘가 공과 깃털이나 똑같이 떨어진다.

진공 중에서는 이렇게 되어 있잖아요.

근데 저 두 개의 질량이 다르면 얘가 같이 떨어질 이유가 없습니다.

어 맞아요. 예, 그래서 이거 확인해야 됩니다. 제가 직접 할 수 없고 여기를 진공으로 만들 수 없으니까.

그래서 그 영상이 있어 가지고, 근데 이게 지금 보여 드리는 영상이 BBC 다큐멘터리에서 한 건데.

너무 유명한 영상이지. 우리 지구상에서 저기서밖에 할 수 없는 실험이에요.

맞아요. 지금 옆에 볼링공 같은 게 있죠? 그리고 깃털도 있습니다. 동시에 딱 떨어뜨립니다.

진공 중에 진짜 진공을 만든 거예요. 저 큰 공간에 진공을 만들었어요.

제가 알기로는 저기 진공 빼는데 거의 하루가 걸렸거든요.

정말 똑같이 떨어지죠. 근데 두 물체의 질량은 같을 이유가 없는데 왜 같지?

중력과 시간이란 무엇인가?  고전역학 2편 (KAIST 김갑진 교수의 물리학 특강 2/8)

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중력은 거리의 제곱에 반비례하며, 지구 중심에서 머리, 심장, 발까지의 거리가 다르므로 몸의 각 부분에서 시간이 다르게 흐른다.

시간이 변하는 이유는 빛의 속도가 무한하지 않기 때문이다. 목성에서 나온 빛이 지구까지 오는 시간은 지구의 위치에 따라 달라진다.

레옹 사람은 이러한 시간 차이를 이용하여 빛의 속도를 계산했다.

레모르 사람의 관측 결과 뉴턴의 법칙은 옳고, 빛의 속도를 구할 수 있다는 결론이 나왔다.

천왕성 궤도의 이상 현상과 해왕성 발견

천왕성의 궤도가 계산과 맞지 않아 이상 현상이 발생했다.

르베리에와 애덤스는 천왕성 밖에 미지의 행성이 천왕성을 끌어당기고 있다고 예측했다.

망원경 관측을 통해 해왕성이 발견되었고, 뉴턴의 법칙이 다시 한번 위대함을 증명했다.

수성의 근일점 이동과 아인슈타인의 일반 상대성이론

수성의 근일점 위치가 계산과 43초 차이가 나서 뉴턴의 법칙으로 설명할 수 없었다.

르베리에는 수성 안쪽에 미지의 행성 ‘벌컨’이 존재한다고 가정했지만 발견되지 않았다.

아인슈타인은 일반 상대성이론으로 공간의 휘어짐을 설명하여 수성의 근일점 이동을 해결했다.

아인슈타인의 일반 상대성이론은 뉴턴의 법칙이 틀릴 수 있다는 것을 보여주는 과학의 본질을 보여준다.

아인슈타인의 예측과 검증: 빛의 휨 현상

아인슈타인은 일반 상대성이론으로 빛이 태양 주위를 지날 때 휘어질 것이라고 예측했다.

에딩턴은 일식 때 태양 주위의 별빛이 휘어지는 것을 관측하여 아인슈타인의 예측을 검증했다.

과학의 본질은 예측과 검증에 있으며, 아인슈타인의 이론은 예측과 검증을 통해 과학으로 인정받았다.

만유인력 법칙과 힘, 가속도의 법칙: 질량의 차이와 중력가속도

만유인력 법칙과 힘, 가속도의 법칙은 서로 다른 법칙이며, 각각 다른 질량을 사용한다.

물리학에서는 중력 질량(무게)과 관성 질량을 구분한다.

만약 중력 질량과 관성 질량이 다르다면 물체마다 떨어지는 속도가 다를 것이다.

BBC 다큐멘터리에서 진공 상태에서 볼링공과 깃털을 동시에 떨어뜨리는 실험을 통해 두 물체가 같은 속도로 떨어지는 것을 보여준다.

중력 질량과 관성 질량의 동일성 검증과 아인슈타인의 등가 원리

실험을 통해 중력 질량과 관성 질량이 1조 분의 1 정확도로 같다는 것을 알아냈다.

두 질량이 같은 이유에 대한 두 가지 해석: 우연의 일치 또는 본질적인 동일성.

아인슈타인은 두 질량이 같다고 가정하고, 이것이 등가 원리로 이어진다고 주장했다.

엘리베이터에서 느끼는 쏠림 현상은 관성력이며, 중력과 구분할 수 없다는 것이 등가 원리의 핵심이다.

지구 중심에서 머리, 심장, 발까지의 거리가 다르므로 몸의 각 부분에서 시간이 다르게 흐른다.

300억 년의 1초에 5차를 가진 정확한 시계를 이용하여 고도에 따른 시간 차이를 측정했다.

450m 높이에서는 시간이 1초당 4나노초 빨리 간다.

GPS는 시간 지연 현상을 고려하여 정확한 위치 정보를 제공한다.

중력과 시간이란 무엇인가? 고전역학 2편 (KAIST 김갑진 교수의 물리학 특강 2/8)

중력과 시간이란 무엇인가? 고전역학 2편 (KAIST 김갑진 교수의 물리학 특강 2/8)

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