시공간은 휘어지지 않는다

김군찬

저자김군찬
계명대학교자연과학대학수학과교수

■이책을시작하며

0부관점의중요성
ㆍ오륙도가,오륙도가아니라니?
ㆍ연구원과직속상관,모두틀리지않았다!
ㆍ천체와관련된단위

1부일반상대성이론은어떻게시작되었나?
ㆍ등가원리
ㆍ중력에의한빛의휨
ㆍ아인슈타인은왜질량이공간을휘게한다고생각했을까?
ㆍ‘질량이공간을휘게한다’는발상의허점

2부뉴턴역학이란?
ㆍ물체와천체의운동을다루는뉴턴역학
ㆍ뉴턴역학으로계산할수있는사례들

3부일반상대성이론의핵심개념들
ㆍ아인슈타인방정식
ㆍ미분,편미분개념
ㆍ텐서
ㆍ선요소
ㆍ선요소의활용

4부질량에의한빛의휨-뉴턴역학은틀리지않았다-
ㆍ적분개념
ㆍ뉴턴역학에의한빛의휨계산
ㆍ실제관측결과
ㆍ일반상대성이론에의한빛의휨계산
ㆍ차이는각의꼭짓점에있다

5부수성의근일점이동43″에대한새로운풀이
ㆍ뉴턴역학에의한수성의근일점이동(532″)
ㆍ일반상대성이론에의한수성의근일점이동(43″)
ㆍ43″에대한새로운풀이

6부공간은질량에의하여휘어지지않는다!
ㆍ시간지연효과는일어나지않는다
ㆍ시공간의곡률에대한오해
ㆍ중력을시공간의휨으로대체했을때생기는의문점들
ㆍ중력파는존재할까?
ㆍ공간은질량에의하여휘어지지않는다!

■이책을끝맺으며
■부록
■참고문헌
■찾아보기
■미주

질량에의하여공간이휘어질까?
뉴턴역학은틀렸을까?
공간의본질은무엇일까?
우주에는공간이존재할까?
가일정한근본적인이유는무엇일까?
뉴턴은우리가존재하는공간은변하지않고절대적이라생각했다.우주의모든물체들이이절대적인공간안에서만유인력에의하여서로를끌어당기며운동을하고있다고보았다.한편아인슈타인은태양과같은질량에의하여빛이휠수있으며나아가공간역시질량에의하여휘고구부러질수있다고했다.
빛이질량에의하여휜다는것은증명되었다.멀리서오는별빛이태양곁을지나갈때중력에의하여빛의경로가휜다는것은1919년실제관측을통하여입증되었기때문이다.그래서빛이중력에의하여휜다는데에의문의여지가없다.
하지만아인슈타인은한걸음더나아갔다.중력에의해서빛이휜다는것은태양과같은질량이그주위의공간을휘게하고이휘어진공간을빛이지나갔기때문이라고설명한것이다.즉,질량이공간을구부러뜨린다고주장했다.아인슈타인이공간은질량에의하여휜다고확신한이유는무엇일까?그이유는크게두가지로나누어설명할수있다.
첫째,멀리서오는별빛이태양곁을지나갈때태양의질량에의하여빛이휘는각을뉴턴역학으로계산하면그값(0.875각초)은실제관측한값(1.75각초)의반정도이다.그런데아인슈타인이태양주위의공간이태양의질량에의하여휘어져있다는전제하에별빛이휘는각을계산해보니실제관측한값과똑같은결과(1.75각초)가나온것이다.다시말해공간이휘어져있기에실제관측한값과똑같은값이나올수있었다고보았다.
둘째,수성의근일점이동문제이다.수성의근일점이란수성이태양을중심으로타원궤도를돌때태양과가장가까운위치를말한다.수성이태양을중심으로회전할때마다금성,지구,화성등다른행성들의중력때문에근일점이조금씩앞으로이동을하는데,실제로100년동안575각초를이동하는것으로관측되었다.그런데뉴턴역학을이용하여이론적으로계산을해보니수성의근일점이100년동안532각초이동하는것으로나왔다.실제관측한값에비해43각초가부족하였다.과학자들은여러가지방법을동원해보았지만이43각초차이를설명할수가없었다.하지만아인슈타인은해냈다.태양주변의시공간이휘어져있다는것을감안하지않았기에43각초차이를설명할수없는것이라고주장하였다.그래서태양주변의공간이휘어져있다고생각하고계산을해보니신기하게도43각초가나와그차이를메울수있었다.
이두사건에의하여아인슈타인뿐만아니라많은사람들이뉴턴역학은틀렸고일반상대성이론이옳다고믿게되었다.공간은절대적이아니며질량에의하여휜다는것이다.
그렇다면정말뉴턴역학은틀렸을까?
결론부터말하자면,그렇지않다!뉴턴역학은틀리지않았다.뉴턴역학으로빛의휨을계산하는과정에는아무런오류가없다.그렇다면왜뉴턴역학으로계산한값은실제관측값보다작게나왔을까?왜냐하면태양의중력을이용하여별빛이휘는각을계산할때그각의꼭짓점,즉기준점이실제관측자의기준점과달랐기때문이다.그기준점을일치시킨다면실제로관측한값과뉴턴역학으로계산한값은동일할것이다.다행히일반상대성이론에의한기준점은관측자의기준점과같았다.
‘수성의근일점이동’문제도마찬가지이다.뉴턴역학은틀리지않았다.이경우에는기준점이문제가아니라전체계산과정에서한가지를인식하지못하고빠트렸다고볼수있다.태양의중력에의하여별빛이휘듯이수성도추가적으로휘어근일점이동이추가적으로일어난다는사실을간과한것이다.
그렇다면뉴턴역학이틀리지않았다는것은어떤의미일까?그것은‘질량에의해서공간이휘어질필요가없다는것’을뜻한다.뉴턴역학은근삿값만계산하는‘근사’역학이아니다.뉴턴역학으로우주에서일어나는여러현상들을정확하게설명할수있다.
일반상대성이론의근간이되는아인슈타인방정식은휘어지지도않는시간과공간을휘어진다고간주하고만든것이다.다만뉴턴역학과같이정확한값을계산해낸다.