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빛과 중력의 관계
2000-12-19
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분야
천체물리/우주론
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조회수
3339
어느 책(시간이 시시각각)에서 보니까 지구가 현재는 달의 속력이 원심력과 중력의 힘이 같아서 달이 가만히 돈다고 써있습니다. 하지만 지구가 밀도가 아주 커지면 지구의 중력이 커져서 빛의 속력으로 가도 지구의 중력을 탈출하지 못하게 된다고 써 있습니다. 그런데 밀도가 아주 커져서 빛의 속력으로 가도 탈출하지 못하는 정도의 중력을 가진 블랙홀이라도 질량이 (전혀?) 없는 빛을 어떻게 빨아들이게 되는지궁금합니다. 빛은 입자와 파동의 성질을 동시에 가진다고 하는데 그것이 중력과 무슨관계가 있는지요...
성언창 박사님께서 잘 답해주실거라고 저의 어머니께서 말씀하셨습니다.
성언창 박사님께서 잘 답해주실거라고 저의 어머니께서 말씀하셨습니다.
- 제목답변: 빛과 중력의 관계
- 분류천체물리/우주론
- 작성일2000-12-19 00:00:00
- 작성자guest
한지호(전민중학교1학년) 질문:
> 어느 책(시간이 시시각각)에서 보니까 지구가 현재는 달의 속력이 원심력과 중력의 힘이 같아서 달이 가만히 돈다고 써있습니다. 하지만 지구가 밀도가 아주 커지면 지구의 중력이 커져서 빛의 속력으로 가도 지구의 중력을 탈출하지 못하게 된다고 써 있습니다. 그런데 밀도가 아주 커져서 빛의 속력으로 가도 탈출하지 못하는 정도의 중력을 가진 블랙홀이라도 질량이 (전혀?) 없는 빛을 어떻게 빨아들이게 되는지궁금합니다. 빛은 입자와 파동의 성질을 동시에 가진다고 하는데 그것이 중력과 무슨관계가 있는지요...
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> 성언창 박사님께서 잘 답해주실거라고 저의 어머니께서 말씀하셨습니다.
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####
***지호군 아버님이나 어머님이 훨씬 잘 답해 주실 것입니다.***
달이 운동하게 하는 지구의 중력은 지구의 밀도가 커진다고해서 커지는 것이 아닙니다. 질량을 갖는 두 물체에 작용하는 만유인력으로서의 중력은 두 물체의 거리의 제곱에 반비례하고 두 물체의 질량에의 곱에 비례하기 때문입니다.
따라서 지구의 밀도가 커진다고해서 지구의 질량이 변화가 없다면 달에 미치는 중력이 커지는 것을 아닙니다.
그러나 표면에서의 중력은 달라집니다. 우리가 탈출을 말할때 쓰는 중력은 통산 그 천체의 표면에서의 중력(장)의 세기를 의미합니다. 표면에서의 중력은 단위질량 (1g)의 물체가 천체표면에 있을때 천체와 그 물체사이에 작용하는 만유인력으로 정의됩니다. 따라서 (표면에서의) 중력은 천체 반지름의 제곱에 반비례하고 천체의 질량에 비례하게됩니다.
따라서 밀도가 커지면 부피가 작아져야하고, 따라서 반지름이 작아지므로 질량이 변하지 않더라도 표면에서의 중력은 증가하게됩니다. 표면에서의 중력이 증가하면 표면에서 탈출할 수 있는 물체의 속도가 증가하게됩니다. 즉, 더 빠르게 탈출해야 천체로부터 벗어날 수 있게됩니다. 지구의 탈출속도는 약 11km/초 이고 태양표면에서의 탈출 속도는 약 600km/초입니다. 지구 근처에서 태양계를 벗어나기위한 탈출속도는 약 40km/초입니다.
그런데 천체 중에는 중력이 극단적으로커져 세상에서 가장 바른 빛조차도 탈출할 수 없게되는 경우가 생기게되는데 이를 블랙홀이라합니다. 이렇게부르는 이유는 빛조차 탈출할 수 없으므로 검다는 뜻입니다.
빛이 왜 탈출할 수 없느냐는 중력이 극단적으로 크기때문입니다. 빛의 입자성과 파동성의 문제는 중력과 관계없이 우리가 살고 있는 자연을 '인간이' 볼때 그렇게 보인다는 것입니다.
질량이 없는 빛을 중력이 끌어당기는 것은 두가지로 생각할 수 있습니다. 그 하나는 아인슈타인의 에너지는 곧 질량이라는 에너지-질량 등가의 원리에 의하면 질량없더라도 빛은 에너지를 갖고 있으므로 곧 질량과 같습니다. 따라서 빛도 만유인력을 갖고 있다고 생각할 수 있습니다.
또다른 하나는 중력이라는 것이 상대성이론에서는 시공간의 휨으로 이해하고 있는데 빛은 시공간에서 두 점사이의 최단거리를 가게되어 중력장 근처에서는 휘게되는데 중력이 극단적으로 큰 경우에는 내부로 들어가버리게 된다고 생각할 수 있습니다.
> 어느 책(시간이 시시각각)에서 보니까 지구가 현재는 달의 속력이 원심력과 중력의 힘이 같아서 달이 가만히 돈다고 써있습니다. 하지만 지구가 밀도가 아주 커지면 지구의 중력이 커져서 빛의 속력으로 가도 지구의 중력을 탈출하지 못하게 된다고 써 있습니다. 그런데 밀도가 아주 커져서 빛의 속력으로 가도 탈출하지 못하는 정도의 중력을 가진 블랙홀이라도 질량이 (전혀?) 없는 빛을 어떻게 빨아들이게 되는지궁금합니다. 빛은 입자와 파동의 성질을 동시에 가진다고 하는데 그것이 중력과 무슨관계가 있는지요...
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> 성언창 박사님께서 잘 답해주실거라고 저의 어머니께서 말씀하셨습니다.
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***지호군 아버님이나 어머님이 훨씬 잘 답해 주실 것입니다.***
달이 운동하게 하는 지구의 중력은 지구의 밀도가 커진다고해서 커지는 것이 아닙니다. 질량을 갖는 두 물체에 작용하는 만유인력으로서의 중력은 두 물체의 거리의 제곱에 반비례하고 두 물체의 질량에의 곱에 비례하기 때문입니다.
따라서 지구의 밀도가 커진다고해서 지구의 질량이 변화가 없다면 달에 미치는 중력이 커지는 것을 아닙니다.
그러나 표면에서의 중력은 달라집니다. 우리가 탈출을 말할때 쓰는 중력은 통산 그 천체의 표면에서의 중력(장)의 세기를 의미합니다. 표면에서의 중력은 단위질량 (1g)의 물체가 천체표면에 있을때 천체와 그 물체사이에 작용하는 만유인력으로 정의됩니다. 따라서 (표면에서의) 중력은 천체 반지름의 제곱에 반비례하고 천체의 질량에 비례하게됩니다.
따라서 밀도가 커지면 부피가 작아져야하고, 따라서 반지름이 작아지므로 질량이 변하지 않더라도 표면에서의 중력은 증가하게됩니다. 표면에서의 중력이 증가하면 표면에서 탈출할 수 있는 물체의 속도가 증가하게됩니다. 즉, 더 빠르게 탈출해야 천체로부터 벗어날 수 있게됩니다. 지구의 탈출속도는 약 11km/초 이고 태양표면에서의 탈출 속도는 약 600km/초입니다. 지구 근처에서 태양계를 벗어나기위한 탈출속도는 약 40km/초입니다.
그런데 천체 중에는 중력이 극단적으로커져 세상에서 가장 바른 빛조차도 탈출할 수 없게되는 경우가 생기게되는데 이를 블랙홀이라합니다. 이렇게부르는 이유는 빛조차 탈출할 수 없으므로 검다는 뜻입니다.
빛이 왜 탈출할 수 없느냐는 중력이 극단적으로 크기때문입니다. 빛의 입자성과 파동성의 문제는 중력과 관계없이 우리가 살고 있는 자연을 '인간이' 볼때 그렇게 보인다는 것입니다.
질량이 없는 빛을 중력이 끌어당기는 것은 두가지로 생각할 수 있습니다. 그 하나는 아인슈타인의 에너지는 곧 질량이라는 에너지-질량 등가의 원리에 의하면 질량없더라도 빛은 에너지를 갖고 있으므로 곧 질량과 같습니다. 따라서 빛도 만유인력을 갖고 있다고 생각할 수 있습니다.
또다른 하나는 중력이라는 것이 상대성이론에서는 시공간의 휨으로 이해하고 있는데 빛은 시공간에서 두 점사이의 최단거리를 가게되어 중력장 근처에서는 휘게되는데 중력이 극단적으로 큰 경우에는 내부로 들어가버리게 된다고 생각할 수 있습니다.