중력의 원인

중력의 원인은 대칭성의 깨짐으로 "이해" 할 수 있습니다. 이게 정확히 맞는 관점인지는 모르겠지만, 아주아주 개략적인 이해는 할 수 있을 겁니다.

(이 설명은 일반 상대성 이론을 아주 살짝 맛보기 하는 수준입니다)

우주에 아무것도 없다고 생각해 봅시다. 아무것도 없는 텅 빈 공간은 모든 부분이 대칭적입니다. 따라서 모든 점이 동등하고 어디에 있어도 가속도 같은걸 느낄 이유가 없습니다. 아무것도 없다는 뜻은 모든 점이 질량이 0이라는 겁니다. 어느 한 부분이 다른 부분과 구별되지 않기 때문에, 여기에 입자 한개가 있다고 하더라도 굳이 다른 곳으로 움직여야 할 필요가 없습니다. 어디에 있더라도 상관이 없기 때문이죠.

그런데 이런 빈 공간에 질량을 가진 입자 한개가 딱 놓여지게 된다면 어떻게 될까요? 이 순간 우주 전체의 대칭성이 깨지게 되죠. 왜냐하면, 적어도 그 입자로부터 얼마나 멀리 떨어져 있느냐가 달라질 수 있기 때문입니다.

문제는 어째서 얼마나 멀리 떨어져 있느냐를 느껴야 하는가? 이것이 질문의 요점입니다. 결국, 중요한건 질량을 가진 입자A가 하나 있을 때, 그 근처에 있는 입자는 A를 봐야만 합니다. 이 부분은 어디까지나 가정입니다. A근처에 B가 있으면 A와 B는 서로를 보는 거죠. 만약 보지 않는다면 그것은 없는것이나 마찬가지니까, 서로 볼 수 있다고 합시다. 이렇게 약속 해 두고 나면, 같은 입자를 보더라도 가까이 있는 것은 크게 보이고 멀리 있는 것은 작게 보이겠죠. 따라서 가까이 있으면 영향이 크고 멀리 있으면 영향이 작아지게 됩니다. 여기서 두 입자가 서로 볼 수 있게 중간에 매개하는 입자를 중력자라고 부르는 것은 과학자들의 약속입니다. 중력자가 돌아다니는 공간을 중력장이 존재한다고 말하기도 합니다. 그리고 사실 실제로는 중력자와 중력장은 같은 대상이기도 하지만 너무 복잡해지므로 더 나가지는 않도록 하죠.

그럼, 영향을 받는다면 입자는 어떻게 행동해야 하는가? 이것이 그 다음 질문입니다. 관성의 법칙에 의하면, 힘을 받지 않는 입자는 그 자신의 운동상태를 유지하려는 특성이 있습니다. 이것은 다음과 같은 이유에서 알 수 있습니다. 가만히 있는 입자의 경우, 다른 어떠한 것이 영향을 주지 않는다면 그 스스로 가만히 있을 것입니다. 이것은 그냥 증명 없이 받아들이도록 하죠. 그렇다면, 일정하게 움직이고 있는 입자의 경우, 관찰자가 똑같이 옆에서 달린다면 그 입자가 가만히 있는 것 처럼 보이겠죠. 따라서 가만히 있는 입자를 건드리지 않으면 가만히 있어야 한다는 원리에 의해, 일정하게 움직이는 입자는 건드리지 않는 한 일정하게 움직여야 합니다. 이것은 공간에 아무것도 없는 상태인 경우입니다. 만약 공간 어딘가에 다른 입자가 하나 존재한다면, 앞서 얘기한 바와 같이 그 입자를 봐야 합니다. 따라서 이전처럼 아무것도 없는 공간과 같이 움직일 수는 없습니다.  좀 더 명확하게 얘기한다면, 공간에 입자 A가 존재할 때, A의 근처를 지나가는 입자 B는 A로부터 나온 중력자를 받기 때문에 A의 영향을 받게 됩니다. 영향을 받지 않는다면 자신의 운동상태를 유지하지만, 영향을 받는다면 자신의 운동상태를 유지할수 없습니다. 만약 영향을 받았으나 자신의 운동상태를 유지한다면 이것은 영향을 받는 것과 받지 않는 것을 구별할수 없게 되므로, 영향을 받지 않는 것으로 생각할수 있기 때문입니다.

그럼, 이제 입자들이 어떻게 움직여가야 하는지 생각해 봅시다. 어차피 영향을 받는다고 해도, 입자가 미칠 수 있는 영향은 밀거나 혹은 당기거나 하는 것입니다. 이때 미는 것과 당기는 것이라는 의미는, 입자A와 입자 B를 잇는 직선 방향으로 거리가 더 멀어지는 쪽이냐 가까워지는 쪽이냐를 뜻합니다. A와 B를 잇는 직선을 벗어나는 다른 방향은 실질적으로 영향을 미칠 수 없습니다. 왜냐하면 A와 B를 잇는 직선의 양쪽은 서로 구별이 없기 때문에 어느 한쪽으로 치우치게 영향이 미쳤다면 다른 한쪽에서도 마찬가지 영향을 받을 수 있을 것이고 이것은 정확히 상쇄되어야 할 겁니다. 따라서 A와 B가 받게 되는 영향은 항상 A와 B를 잇는 직선의 방향으로만 일어날 수 있습니다. 그렇다면, 미는 것과 당기는 것 중에 어떤 영향을 받게 될까요? 어떤 영향을 받는지는 상호작용의 특성에 따라 결정되는데, 중력의 경우 당기는 힘을 받게 됩니다.

요약하자면, 아무것도 없었으면 그냥 앞으로 가게 되었을 입자들이 서로를 보기 때문에 경로가 바뀌게 되고, 이것이 중력으로 나타나게 된다는 것입니다.