[이광식의 천문학+] 현대판 ‘피사의 사탑’ 낙체실험 ​- 중력의 비밀

손에 들었던 물건을 놓으면 곧장 아래로 떨어진다. 바로 중력 때문이다. 한살배기 아기도 중력을 안다. 아기가 계단을 내려갈 때 조심하는 것은 잘못 하다간 아래로 굴러떨어질까 봐 그러는 거다. 중력을 알기 때문이다.

자연계에 있는 4가지 힘, 곧 중력, 전자기력, 강력(강한 상호작용), 약력(약한 상호작용) 중 중력이 가장 약하다. 얼마나 약할까? 4가지 힘의 크기를 비교하면, 강력>전자기력>약력>중력 순서인데, 강력(10³⁸)>전자기력(10³⁶)>약력(10²⁵)>중력(10⁰) 이다. 10⁰ 은 1이다. 　

강력과 약력은 원자 내에서만 존재하는 힘으로, 중력이 지름 1cm의 살구만하다​면 강력은 이 우주보다도 더 크다. 어마무시한 차이라는 점만 기억해두도록 하자.

조그만 말굽자석 하나가 대못을 매달고 있는 것은 지구의 중력을 이기고 있다는 증거이다. 이처럼 중력의 자연계의 4가지 힘 중에서 가장 약하지만, 그래도 당신이 낙상한다면 골반뼈나 손목뼈를 부러뜨릴 만큼 강하다는 사실을 알아야 한다.

중력은 또한 전자기력과는 달리 어떠한 조작으로도 상쇄하거나 차단할 수가 없는 힘이다. 중력 차단에 성공한 예는 아직까지 없다. 그러므로 공중부양을 한다고 흰소리하는 사람은 100% 사기꾼이라고 보면 틀림없다.

이 중력의 또다른 특징은 인력만으로 작용한다는 점이며, 이 우주에 가장 보편적 힘으로 천체들을 운행하고 있다는 사실이다. 그런데 중력이 어떻게 작용하는지는 아직도 오리무중이다.

사과를 땅으로 떨어지게 하는 힘이나, 달이 지구를 돌게 하는 힘이 다 같은 중력이라고 뉴턴이 밝혀냈지만, 그 힘이 어떻게 전해지는지는 천하의 뉴턴도 알 수 없었다. 달과 지구 사이, 지구와 태양 사이, 무수한 천체들 사이에 작용하는 중력은 말하자면 원격작용을 하는 셈이다. 리모콘은 전자기파를 매개로 하여 작동하지만, 중력에는 그런 매개체가 여직 발견되지 않고 있는 것이다.

중력이 이처럼 원격작용을 하는 원리를 끝내 알아내지 못한 뉴턴은 이렇게 면피용 멘트를 한번 날린 후 이 문제를 접고 말았다. “나는 가설을 만들지 않는다.”

​-아리스토텔레스에게 도전한 갈릴레오

이 골치 아픈 중력은 고대세계의 최고 천재라는 아리스토텔레스까지 실족하게 만들었다. 무슨 이야기인고 하면, 아리스토텔레스는 물체의 경중에 따라 중력의 크기가 다르게 작용한다고 큰소리쳤던 것이다.

아무런 실험도 해보지 않은 채 그냥 직관으로 그렇게 단정해버린 데 문제가 있었다. 경험으로 볼 때 무거운 물체는 가벼운 물체보다 빨리 떨어지지 않은가. 망치와 깃털을 떨어뜨릴 때 망치가 더 빨리 떨어진다.

하지만 인간의 감각이나 직관이란 그렇게 믿을 만한 게 못된다. 천동설이 수천 년 위세를 떨친 것만 봐도 알 수 있는 일이다. 하늘의 태양을 보고 누가 지구가 그 둘레를 돈다고 생각하겠는가.

어쨌든 지엄한 아리스토텔레스에게 2000년 만에 최초로 도전장을 내민 사람은 17세기 갈릴레오 갈릴레이(1564-1642)였다.

갈릴레오가 피사의 사탑에서 무거운 물체와 가벼운 물체를 떨어뜨려 두 물체가 동시에 떨어진다는 것을 증명했다는 이야기는 제자이며 전기작가였던 비비아니가 쓴 갈릴레오의 전기에나 나오지만, 전혀 증거가 없는 것으로 보아 창작일 확률이 높다는 것이 대체적인 시각이다. 원래 글쟁이들은 거짓말을 곧잘 하는 버릇이 있다. 제 입맛에 맞을 때 특히 그렇다.

그런데 갈릴레오가 물체의 낙하실험을 했다는 것은 사실이다. 단, 피사의 사탑에서 한 게 아니라, 집에서 경사로를 만들어놓고 그 위에 무게가 다른 공들을 굴렸다. 수없이 공을 굴려본 결과 무거운 공이든 가벼운 공이든 같은 속도로 굴러떨어진다는 것을 확인했다.

그는 또한 ‘새로운 두 과학에 대한 대화’라는 책에서 무거운 물체가 가벼운 물체보다 빨리 떨어진다는 것은 논리적으로 모순이라는 것을 설명하기도 했다. 후에 뉴턴이 이를 수학적으로 증명했다. ​

중력은 공평하게도 먼지이든 바윗덩이든 간에 모든 물체에 같은 크기로 작용한다. 다만 공기 저항이라는 요소만 제거한다면 우리는 눈으로도 그것을 확인할 수도 있다.

현대에 와서 우리는 그 실험을 직접 눈으로 볼 수 있었다. 공기가 없는 달에서 낙체실험이 이루어졌던 것이다. 1971년 아폴로 15호의 우주인이었던 데이비드 스콧은 우주선에 실어갔던 망치와 깃털을 달 표면 위에서 떨어뜨리는 실험을 했다. 전 세계 시청자들이 TV로 지켜보는 가운데 그는 어깨 높이에서 망치와 깃털을 떨어뜨렸고, 두 물체는 동시에 달 표면에 떨어졌다. 그러자 스콧이 지구인들을 향해 외쳤다. “갈릴레오가 옳았습니다!”

-현대판 피사의 사탑 낙체실험



이 같은 낙체실험은 지구에서도 행해졌다. 지구에도 공기가 전혀 없는 공간들이 있다. 그중 가장 큰 공간은 미항공우주국(NASA)의 진공실이다. 바닥 면적이 30.5m × 37.2m로, 농구장의 2배가 넘는다. 이 세계 최대의 진공실은 미국 오하이오의 NASA 우주발전소에 있다.

여기서 실험을 진행한 사람은 영국의 훈남 물리학자 브라이언 콕스로, 볼링공과 깃털을 동시에 떨어뜨리는 실험이었는데, 영국 BBC TV에서 전 과정을 담은 영상을 방송했다.

실험 결과는 아름다웠다. 공기 저항이 있을 때는 깃털이 늦게 착지했지만, 공기를 다 빼고 진공 상태에서 한 실험에서는 볼링공과 깃털이 사이 좋게 똑같이 착지한 것이다. 이는 400년 전 ‘피사의 사탑 낙체실험’ 전설의 현대판이라 할 만하다.

비디오의 끝부분에는 아인슈타인의 등가원리가 잠깐 언급된다. 등가원리란 중력을 만드는 만유인력과 관성력은 구별할 수 없다는 원리이다. 아인슈타인의 일반상대성 이론에서 나오는 것으로, 자유낙하하는 놀이기구에 탄 사람이 무중력 상태를 경험하는 현상이 대표적인 예라 할 수 있다.

만약 당신이 지구 표면에 서 있다면, 당신의 체중을 느낄 것이고, 이는 곧 지구의 중력으로, 둘은 구별할 수가 없다는 것이다. 이는 매우 심오한 현상으로 아인슈타인의 일반상대성 원리로 발전하게 되었다. 브라이언은 이 단순한 실험을 해보임으로써 그 같은 심오한 자연의 법칙을 대중에게 소개한 것이다.

중력 미스터리는 아직까지 건재하다. 중력을 매개한다는 중력자와 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 예측한 중력파를 찾는 것이 현대 물리학의 최대 화두가 되고 있는 것만 봐도 그 같은 사실을 알 수 있다. 중력 미스터리를 해결하는 사람이 나온다면 노벨 물리학상은 따놓은 당상이나 다름없을 것이다.

물체가 땅으로 떨어지는 이 단순한 현상 하나에도 이 같은 심오한 자연의 비밀이 숨어 있는 것을 보면, 세계에서 신비롭지 않은 것은 하나도 없는 것 같다. 이 글을 읽고 있는 당신도 알고 보면 신비 자체이며 우주의 기적 아닌가.

이광식 통신원 joand999@naver.com