'우주'에 해당되는 글 2건

  1. 2015.02.21 회전과 우주의 구조
  2. 2008.08.08 우주의 균일함과 중심력

지구가 둥글다는 것을 알았던 옛 사람들은 태양이 지구를 도는 것에서 낮과 밤이 생기는 이유를 찾았습니다. 이를 천동설이라고 합니다. 갈릴레오 갈릴레이가 "그래도 지구는 돈다"라고 말했을 때는 '지구의 태양에 대한 회전'과 '태양의 지구에 대한 회전'이 서로 충돌하던 시절이었죠. '회전과 우주의 구조'라고 말했으니 이 대립을 생각하시는 분들도 많을 것입니다. 하지만 이 글에서는 조금 다른 이야기를 해 보려고 합니다.




회전을 정의하기


우선은 다루기 쉽게 회전을 수학적으로 정의해 보도록 하겠습니다. 중학생 수준을 넘는 수식은 쓰지 않을 예정이니 수학이라는 단어에 겁을 먹지 않으셔도 됩니다. 다만 얼마 전까지만 해도 고등학교 정규교육과정에 포함되어 있던 행렬 이야기는 할 예정이니 '행렬이 무엇인가' 정도는 알고 계셔야겠군요.


가장 먼저 필요한 것은 '공간을 수학으로[각주:1] 나타낼 방법'입니다. 이걸 '좌표'라고 부르죠. 어떤 물건의 위치를 문자(여기서는 숫자와 문자를 구분하지 않겠습니다)로 나타내는 규칙입니다. 토런트같은 P2P에서 파일의 위치를 나타내는 주소나 인터넷 페이지의 DNS 주소를 구할 때 "좌표 찍어줘"라고 말하는 것을 생각하시면 되겠습니다.


우리가 사는 공간에서는 세 숫자면 공간상의 모든 점을 표현할 수 있습니다. 예컨데 '내가 앉은 위치에서 동쪽으로 세 칸, 북쪽으로 두 칸, 위로 네 칸'으로 한 위치를 특정지을 수 있지요. 이를 두고 '우리는 3차원 공간에 산다'라고 말합니다. 한 물건의 크기를 적을 때 높이x너비x깊이 이 세 숫자로 크기를 적을 수 있는 것은 같은 이유에서입니다. (변위)벡터는 이 세 쌍의 숫자를 말합니다. 많은 경우 벡터를 시각화하기 좋도록 원점(내가 앉은 위치)에서 목표점(특정지을 위치)까지 이은 화살표로 생각하는데, 벡터의 크기는 이 화살표의 길이가 되지요.


이제 수학적으로 회전을 정의할 수 있겠네요. 회전이란 3차원 공간상의 벡터들을 1. 벡터의 크기를 보존하고 2. 벡터간 각도를 보존하는 3. 선형변환 입니다.[각주:2] 선형은 다른 의미가 아니고 $a$를 $f(a)$로 보내는 변환 $f$에 $a+b$를 집어넣으면 $f(a+b)=f(a)+f(b)$를 만족한다는 뜻입니다. 직선의 방정식처럼 결과가 단순하게 더해진다는 뜻이지요.


'선형'이라는 말이 나오는 순간부터(무한차원이 아닌 한) 우리는 행렬을 생각해야 합니다. 모든 선형변환은 행렬로 나타낼 수 있기 때문입니다. 여기서는 세 숫자를 세 숫자로 보내는 행렬이 되어야 하므로 우리가 생각해야 할 행렬은 3x3 행렬이며, 위에서 말한 세 조건들을 만족하는 회전을 나타내는 행렬들의 집합에는 O(3)라는 이름이 붙어 있습니다. 이 집합에는 거울상 변환에 해당하는 행렬도 들어있는데, 거울상 변환이란 거울에 비추었을 때 상이 뒤집어지는 것처럼 왼손을 오른손으로 보내는 변환들을 말합니다. 일반적으로는 이를 제거한 행렬들의 집합인 SO(3)를 주로 고려합니다. 어떻게 회전하든 오른손이 왼손과 포개어지지는 않으니까요.


SO(3) 집합이라는 표현할 대상을 찾았으면 표현할 방법을 구상해야겠지요. 이 집합의 한 원소(회전을 나타내는 어떤 행렬이 되겠죠)를 나타내는 한 가지 방법은 위도와 경도를 이용해 지구 위 위치를 나타내듯 두 각도를 이용해 회전의 중심으로 잡을 축을 찾고 그 축에 대한 회전각도를 적어주는 것입니다. 여기에는 숫자 셋이 필요하죠(위도, 경도, 회전각). 중요한 것은 숫자 셋이면 충분하다는 것입니다.


더 보기 쉽게 SO(3) 집합의 한 원소를 나타내는 방법은 오일러 각입니다. 오일러 각은 축 세 개를 지정하면 각 축에 대한 회전만으로 모든 회전을 구현할 수 있다는 것에서 출발합니다. 마찬가지로 숫자 셋(회전각 세 개)으로 모든 회전을 나타낼 수 있지요. 흔히 보는 자이로스코프에 회전축이 단 세 개만 존재하는 것과도 관련이 있습니다.


http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gimbal_3_axes_rotation.gif


학부 2학년 역학 시간이나 동역학 시간에는 보통 zxz 오일러 각을 배웁니다. z축을 중심으로 전체를 한번 돌린 뒤 x축을 중심으로 한번 더 돌리고 다시 z축에 대해서 돌리는 것이죠. 보통은 팽이의 움직임이나 인공위성의 자세를 묘사하기 위해서 사용합니다. 반면 항공동역학 시간에는 xyz 오일러 각을 배웁니다. z축을 중심으로 돌린 뒤 y축으로 돌리고 다시 x축으로 돌리는 방법이죠. 다른 각을 쓰는 이유는 이 조합이 항공기의 세 횡운동(yaw, pitch, roll)을 나타내는데 더 편해서입니다.


오일러 각의 문제점은 특이점이 존재한다는 것입니다. 회전 전체의 집합 SO(3)에 대해서 우리는 '비슷한 회전'이란 것을 생각해 볼 수 있겠죠. 대부분의 회전에 대해서는 비슷한 회전으로 바뀔 때 오일러 각이 연속적으로 변합니다. 하지만 특정 회전에 대해서는 오일러 각이 불연속적으로 변합니다. 이를 두고 Gimbal lock이라 부릅니다. 이 문제가 생기면 제어 프로그램이 맛이 가기 때문에 이 문제를 피하는 것이 중요합니다.


문제가 있으면 해결하는 방법도 있어야겠죠. 이 문제를 해결하는 한 방법은 위에서 처음 제시한 (위도, 경도, 회전각) 조합을 이용하는 것입니다. 이 방법을 택할 경우 3x3 행렬들의 곱셈, 즉 아홉 숫자의 곱을 계산해야 합니다.


다른 방법은 사원수(quaternion)를 이용하는 것입니다. 이 방법은 단 네 숫자의 곱셈만을 이용합니다.




회전을 나타내는 다른 방법: 사원수


사원수는 간단하게 말하자면 복소수의 확장입니다.[각주:3] 복소수에 단위허수 두개를 더해서 숫자'처럼' 만든 물건이죠. 숫자'처럼'이라고 하는 이유는 행렬처럼 교환법칙( $ab=ba$)이 성립하지 않기 때문입니다.(다만 실수에 대해서는 교환법칙이 성립) 해밀턴 경이 아일랜드 왕립학회에 가다 떠올렸는데 마땅한 적을 곳이 없어서 지나가던 다리 위에다 사원수의 기본 아이디어를 새겼다는 일화가 전해지죠.


다리 위에 새긴 공식은 $i^2 = j^2 = k^2 = ijk = −1$ 으로, 단위허수 $i,j,k$ 간의 관계식입니다. 이 관계식으로부터 단위허수 사이의 관계식을 얻을 수 있는데, 가령 $ijk=-1$의 양 변 좌측에 $-i$를 곱하면

\[jk=(-ii)jk=(-i)(ijk)=(-1)(-i)=i\]


를 얻습니다.비슷한 과정을 반복하면 $ij=-ji=k, ki=-ik=j, jk=-kj=i$라는 관계식을 얻습니다.[각주:4]



회전은 크기가 1인 사원수(단위 사원수라 부릅니다)를 이용해 나타낼 수 있습니다.[각주:5] 벡터 $(e,f,g)$를 사원수 $v=ei+fj+gk$로 나타내면 단위 사원수 $q$를 이용해 회전된 벡터 $(e',f',g')$를 $e'i+f'j+g'k=qvq^{-1}$로 나타낼 수 있습니다.[각주:6] 구체적인 방법은 http://en.wikipedia.org/wiki/Quaternions_and_spatial_rotation를 참조하시는 편이 낫겠네요.


여기에 재미있는 점이 하나 있는데, 크기가 1인 사원수의 집합은 4차원 공간에서 원점으로부터 거리가 1인 구면, 그러니까 3차원 구면이 됩니다( $a^2+b^2+c^2+d^2=1$. 3차원 구면은 $S^3$란 기호를 써서 나타냅니다.) 따라서 우리는 회전의 집합 SO(3)가 3차원 구면 $S^3$의 구조를 가지리라고 예상할 수 있습니다. 정말로 그럴까요?


애석하지만 조금 다른 구조를 갖습니다. 왜냐하면 $q$를 이용한 회전과 $-q$를 이용한 회전이 같거든요. '3차원 구면의 대척점 쌍'에 대해 하나의 회전이 정의된 것이죠. 이는 다음 식으로부터 알 수 있습니다.

\[(-q)v(-q)^{-1}=(-1)qv(-1)q^{-1}=(-1)^2 qvq^{-1}=qvq^{-1}\]


SO(3)란 집합은 '3차원 구면의 대척점 쌍'을 원소로 갖는 것이죠. 이런 공간을 사영공간(projective space) $RP^3$로 부릅니다. $RP^3$는 '4차원 공간의 원점에서 직선을 쏘는 방법'들의 공간이기도 합니다.


회전을 나타내는 사원소들의 집합과(3차원 구면 $S^3$의 구조) 실제 회전을 나타내는 행렬의 집합 SO(3)는(사영공간 $RP^3$의 구조) 구조상 미묘한 차이를 보이는 것이지요. 놀랍게도 이 차이는 우리가 보는 세상이 우리가 보는대로 구성되는 것과도 관련이 있습니다.




회전의 미묘한 차이와 우주의 구조


지금까지 회전을 나타내는 두 가지 방법(오일러 각/사원수)이 있으며, 이 중 사원수를 이용한 방법은 오일러 각을 이용한 방법보다 실제로는 더 많은 경우의 수를 가지고 있다는 것을 보여드렸습니다. 재미있게도 이 차이는 물리학에서 입자를 구분하는 방식, 그리고 우주의 모습이 지금 이 모습인 것과 관련이 있습니다.


우선은 회전의 집합을 제대로 규정해야겠지요. 먼저 말씀드렸다시피 3차원 공간에서 회전의 집합은 SO(3)가 됩니다. 하지만 실제 회전에 대응되는 사원수가 나타내는 집합은 SU(2)라고 부릅니다. SU(2)는 3차원 구면 $S^3$의 구조를 가지며, '일반적인 회전 집합' SO(3)에 대해 SU(2)의 두 원소가 SO(3)의 한 원소에 대응되겠죠(사원수 $q$와 $-q$가 같은 회전이므로). 어떤 면에서는 SU(2)라는 집합이 SO(3)라는 집합을 '두 번 덮는다'고 표현할 수 있습니다. 이런 경우를 두고 'SU(2)가 SO(3)의 덮개공간(covering space)이다'라 합니다.



이런 수학적인 장난(?)을 하는 이유는 보통은 느끼기 힘들지만 회전은 분명 흔적을 남기기 때문입니다. 이 흔적은 다음과 같은 실험으로 확인할 수 있습니다. (머플러나 리본처럼) 면을 가진 끈을 준비해 책에 한 끝을 붙이고 다른 끝을 공중 어딘가에 고정합니다. 책을 바닥에 평평하게 두고 한 바퀴 돌리게 되면 끈은 꼬이겠지요. 하지만 '같은' 방향으로 한번 더 돌리면 끈이 풀립니다. 이를 Balinese plate trick이라고 부릅니다. 다음 동영상에서 컵이 계속 위쪽으로 향하도록 한 뒤 회전시킬 때 한 번 회전하면 팔이 꼬이지만 두 번 회전하면 팔이 다시 풀리는 것으로 확인할 수 있죠.



SU(2)와 SO(3)의 2대 1 대응은 '이 차이를 보는가/보지 못하는가'를 나타낸다고 생각하시면 됩니다. 홀수 번 회전과 짝수 번 회전을 구분할 수 있으면 SU(2), 구분하지 못하면 SO(3)가 되는 것이지요.


전자나 양성자와 같은 페르미 입자(fermion)는 홀수 번 회전과 짝수 번 회전을 구분하는 입자들입니다. 이 입자들은 한 바퀴 회전할 때 마다 -1이란 부호를 획득합니다. 광자나 중력자(아직 관찰되지 않았습니다)와 같은 보즈 입자(boson)는 둘을 구분하지 못합니다. 이 차이는 상당히 중요한 결과를 가져옵니다. 두 입자의 자리바꿈과 두 입자의 회전이 동등하기 때문에 페르미 입자의 '회전을 구분하는 특징'은 파울리 배타원리로 나타나게 됩니다. 파울리 배타원리는 '구분할 수 없는 페르미 입자가 같은 상태에 존재하는 것'을 금지합니다. 구분할 수 없는 페르미 입자 두 개가 자리를 바꾸면서 얻는 -1이란 부호가 파동함수의 상쇄간섭을 일으키기 때문입니다.[각주:7] 반면 보즈 입자에 대해서는 파울리 배타원리가 적용되지 않기 때문에 '구분할 수 없는 보즈 입자가 같은 상태에 존재하는 것'이 얼마든지 가능합니다. 극단적인 경우에는 모든 구분이 불가능한 보즈 입자들이 한 상태에 밀집하며, 이를 보즈-아인슈타인 응축이라 부릅니다.


파울리 배타원리의 가장 중요한 결과는 주기율표입니다. 다른 종류의 원자가 서로 다른 화학적 성질을 갖는 이유는 전자가 페르미 입자라서 같은 상태에 두 입자가 존재할 수 없기 때문에 서로 다른 궤도를 갖고 원자핵을 돌기(물론 엄밀하게 말할 때 '도는 것'은 아닙니다만 다른 궤도를 갖고 있다는 것이 중요합니다) 때문입니다. 만약 전자가 보즈 입자였다면 전자는 모두 가장 낮은 에너지를 갖는 궤도에 안착할 것이고(파울리 배타원리가 이런 '붕괴'를 막습니다) 모두 같은 궤도에 있기 때문에 화학 반응이 일어나지 않겠지요.


또 다른 중요한 결과는 항성 핵과 중성자별의 존재입니다. 연소가 끝난 항성 핵은 가장 안정적인 철 원자로 구성되어 있고 철 원자의 전자들은 페르미 입자이기 때문에 '열운동에 의한 압력' 및 '파울리 배타원리의 효과'를 받아 중력으로 붕괴하지 않습니다. 중성자별은 연소가 끝난 별들의 원자핵이 페르미 입자인 중성자로 변해 마찬가지의 원리로 붕괴하지 않지요. 만약 파울리 배타원리의 효과를 받지 않는다면 이 천체들은 연속적으로 붕괴하여 블랙홀이 됩니다.


우리 모두는 별의 잔해에서 태어났습니다. 우리 몸을 구성하는 탄소나 산소와 같은 원소들은 별들의 핵에서 생성되었으니까요. 파울리 배타원리의 효과로 천체들이 불연속적으로 붕괴하는 것이 중요한 이유는 별들이 불연속적으로 붕괴하면서 핵에서 만들어진 원소들을 우주 공간으로 날려보내고, 이로부터 생명이 시작되기 때문입니다. 철 원자로 이루어진 항성의 핵을 지탱해주는 파울리 배타원리의 효과가 중력을 이겨내지 못하는 순간 항성의 핵의 철 원자 핵은 전자를 흡수하며 중성자가 되고, 이 과정에서 부피가 줄어들기 때문에 항성 핵은 붕괴하기 시작합니다. 하지만 중성자도 부피를 갖기 때문에 무한히 붕괴하지는 않지요. 원자 핵 밖에서 항성의 중심으로 낙하하던 물질들은 새롭게 만들어진 중성자 핵이라는 벽에 부딪치고 별 밖으로 튕겨나가게 됩니다. 이 과정을 초신성이라 부릅니다. 항성이 연속적으로 붕괴했다면 일어나지 않았을 일들이지요.


우리가 보는 세상이 우리가 보는 모습대로 있는 이유는, 그리고 우리가 존재할 수 있는 이유는 얼핏 보면 드러나지 않는 회전의 미묘한 차이를 구분할 수 있는 소립자들의 존재 때문인 셈입니다.





트위터에 날린 융단폭격을 조금 정리해봤습니다. 융단폭격의 우두머리(?)는 다음 세 트윗:


https://twitter.com/AstralDexter/status/568795182709125120

https://twitter.com/AstralDexter/status/568802072251887616

https://twitter.com/AstralDexter/status/568809524733222912


자이로스코프 이야기를 하려다 하려던 자이로스코프 이야기는 안 하고 샛길로 새어버렸네요 -_-;; 해당 내용을 추가하기는 늦은 듯 해서 다음에 기회가 생기면 이야기하기로 했습니다.

  1. 정확히는 숫자입니다. 앞으로 각주를 달 내용은 글의 내용과 관련만 있고 흐름과는 상관없는 내용들만 쓸 예정이므로 읽지 않으셔도 좋습니다. 어느 정도 배경지식이 있는 사람들을 위한 이야기라서요. 접어둔 내용은 글을 이해하시는 데 필요할 수 있는 정보들입니다. [본문으로]
  2. 3은 사실 연속성(비슷한 벡터는 비슷한 벡터로)과 같이 생각해야 하는 조건입니다. 연속성이란 조건을 날려버리면 '구 하나를 쪼개고 잘 합쳐 둘로 만드는' 것도 가능합니다. Banach-Tarski 역설을 참조: http://en.wikipedia.org/wiki/Banach-Tarski_paradox [본문으로]
  3. 복소수에서 사원수로 확장하는 과정을 이용해서 수 체계를 계속 확장하는 것이 가능합니다. http://en.wikipedia.org/wiki/Cayley-Dickson_construction [본문으로]
  4. 사원수의 경우 Gibbs가 벡터 연산을 개발하기 전까지 물리학의 기본 언어로 쓰일 정도로 물리에 영향을 많이 미쳤습니다. 이후 사원수와 같은 방향으로 나아간 것에는 geometric algebra란게 있는 모양입니다만 공부해보진 않았네요. 참고로 xyz 단위벡터를 쓸 때 ijk를 쓰는 것은 사원수의 흔적입니다. [본문으로]
  5. 바로 다음 파트에서 다룰 예정이지만, 단위 사원수의 집합은 SU(2)와 동일합니다. [본문으로]
  6. 앞선 각주를 읽으셨고 게이지 장론을 공부하셨다면 회전을 나타내는 방법 중 SO(3)는 fundamental representation에, SU(2)는 adjoint representation에 해당한다는 것을 확인할 수 있습니다. [본문으로]
  7. 공간이 2차원이 되면 한 바퀴 회전할 때 얻는 부호가 1 또는 -1로 제한될 필요가 없습니다. Anyon이 이런 경우를 다룹니다. [본문으로]

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균일함에 대하여

우주는 균일하다고 여겨진다. 균일하다는 것은 쉽게 구분할 수 없다는 것으로, 크게 두 가지가 있는데, 하나는 방향에 대한 개념이 있고, 다른 하나는 위치에 대한 개념이 있다.

먼저, 방향적으로 균일하다는 것을 isotropic이라고 부른다. 한글로는 어떻게 번역되는지 잘 모르겠으나, 이 글에서는 편의상 "등방향성" 이라고 부르기로 하자. 우주에 등방향성이 존재한다는 것은 다음의 말과 같다. 우주 안의 한 지점에서 우주를 바라보고 있을 때, 그 점에서 어떤 방향으로 바라보고 있는지 알 수 없다는 뜻이다. 등방향성이란 바라보는 방향마다 차이가 적어 방향을 구분할 수 없을 때를 말한다. 쉽게 말해 밤하늘을 크게 확대해 놓으면 자기가 동쪽을 바라보고 있는지 남쪽을 바라보고 있는지 모르는 것이다.

다음으로, 위치적으로 균일하다는 것을 homogenous라고 부른다. 역시 한글로는 어떻게 번역되는지 잘 모르겠으나, 이 글에서는 "균일하다"라는 말을 이 개념에 배당하겠다. 이 균일성이라는 개념은, 우주 안에서 어떤 위치에 있는지는 기준점 없이는 알 수 없다는 것이다. 이처럼 균일하다는 것은 바라보는 위치가 바뀌어도 차이가 적어 위치의 차이를 구분하지 못할 때를 말한다. 쉽게 말해 서울의 밤하늘과 대전의 밤하늘은 밤하늘만 가지고서는 자기가 어디에서 하늘을 보고 있는지 구분하지 못하는 것이다.

균일함과 중심력

이제 완전히 빈 공간을 생각해 보자. 쉽게 생각하면 티끌하나 존재하지 않는 우주와 비견될 수 있을 것이다. 물론 실제의 우주에서는 양자 요동이라는 현상에 의해 불가능하지만, 아직까지는 고전적인 범위에서만 다루므로 티끌하나 존재하지 않는 완전히 비어있는 우주를 생각할 수 있다.

이제 이곳에 입자 하나를 놓자. 무엇이 되어도 상관이 없다. 그것이 사람이든, 책이든, 휴대폰이든, 시계든 상관이 없다. 하지만 이런 모든 것들은 자체적으로 방향성을 가지고 있는데다가(사람을 위에서 보는것과 아래에서 보는 것으로 구분할 수 있듯이), 분해되어 점들의 집합으로 서술될 수 있기 때문에 이상적인 상황을 논하고 있는 현재에는 그다지 합당하지 않다고 느껴진다. 따라서 이런 문제가 생기지 않도록 점 하나를 공간에 가져다 놓았다고 생각해 보자. 이제 이 점입자를 A라고 부르자.

바로 이 순간, 빈 공간에서의 균일성은 붕괴하게 된다. A라는 물질이 존재하게 되면서 A까지의 거리라는 변수에 의해 위치의 차이를 구분할 수 있게 되기 때문이다. 하지만, 아직 A의 방향성이 정해지지 않았으므로 A까지의 거리가 다른 경우에만 서로 구분할 수 있고 A까지의 거리가 같은 점들(구를 만들어낸다)끼리는 구분이 불가능하므로 균일성은 붕괴하기는 하지만 완전하지는 않다고 할 수 있다.

하지만 등방향성은 어떤가? 우리가 아는 것은 A까지의 거리일 뿐, A에 대한 방향은 알 수 없다. 이건 A의 입장에서 보면 더욱 두드러진다. A가 보기에는 12시 방향이나, 4시 방향이나 다 똑같은 끝없는 암흑뿐이다.(12시 방향도 정의하기 힘들다.) 결국 점을 하나 가져다 놓는다고 해서 등방향성이 깨지지는 않는다. 이처럼 우주가 등방향성을 보존한다는 것과 관련있는 힘이 중심력이다. 이제 중심력의 정확한 정의를 알아보자.

중심력은 무엇인가.

중심력이란 "입자와 입자 사이의 거리에만 관여하며, 그 방향이 입자와 입자를 잇는 선상에 놓이는 힘"을 말한다. 만약 중심력의 벡터가 입자와 입자를 잇는 선상에 놓이지 않는다면, 등방향성을 위배하게 된다. A로부터 받는 힘을 이용해 자신의 방향을 예측할 수 있고, 이는 등방향성이 깨져버리게 되기 때문이다. 실제 이런 방법으로 등방향성이 깨지는 경우는 관측된 바는 없다. 물론 일반상대론의 영역으로 가면 공간 자체가 휘어버리면서 공간 자체가 방향성을 가지게 되기도 하지만, 그것은 기본적으로 가속운동상태인 회전운동중이나 입자 자체가 움직이고 있어 방향성을 갖는 경우에나 볼 수 있는 것이다. 고전역학은 가속운동되는 계가 아닌 관성운동을 하는 계, inert한 계만 다루기 때문에 이런 경우까지 따로 다루지는 않겠다.

실제로도 자연계의 기본적인 힘으로 여겨지는 4대 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력) 모두 중심력에 속한다. 이쯤 되면 독자들도 왜 기본적인 힘이 중심력에 속하는지 눈치를 챘으리라 믿으며(혹시 눈치채지 못한 독자를 위해 내 개인적인 생각을 말하자면, 나는 우주는 최대한 대칭성(등방향성이나 균일성)을 보존하려고 하는 성질을 갖고 있다고 믿는다. 이런 성질에 최대한 부합하기 위해 4대 힘이 모두 중심력으로 나타난다고 생각한다.), 중심력 중 가장 기초가 되는 중력으로 넘어가겠다.

가장 기초적인 중심력, 중력.

중력은 "중력질량을 갖는 두 물체 사이의 힘" 으로 정의된다. 물론 이 힘을 매개하는 입자(가상적인 입자, 중력자(graviton))나 마당(장, 역장(force field)을 말한다) 으로도 정의할 수도 있으나, 중력을 제일 처음 다루었던 뉴턴(Sir Isaac Newton)의 관점을 따르기로 하자. 뉴턴이 발견한 중력의 특징은 다음과 같다.

"두 질량을 가진 입자는 서로를 끌어당기며, 그 힘은 두 질량의 곱에 비례하고 두 입자사이의 거리의 제곱에 반비례한다"

참 신기하게도, 전자기력 또한 두 입자 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 성질을 가지고 있다. 이러한 성질은 우리가 보는 세계의 차원(공간적인 차원. 시간까지 합치면 완전치 못한 4차원이 된다. 이 부분은 특수론에서 다루기로 하자.)과 관련이 있다고 여겨진다. 3차원의 공간에서 정의된 구의 겉넓이는 반지름의 제곱에 비례한다.(자명하므로 증명은 생략한다.) 힘이 공간에 의해 매개된다고 할 때(역장의 개념으로 볼 수 있다), 힘은 등방향성의 성질에 따라 힘을 생성하는 입자에서 같은 거리에 떨어진 지점마다 모두 같은 힘을 제공해야만 한다.(이렇지 않다면 특정한 방향성이 존재한다는 것을 알게 되고, 등방향성이 깨져버린다.) 이때, 이 같은 거리에 떨어진 지점들의 수는 거리의 제곱에 비례한다(구의 겉넓이에 비례하게 될 것이기 때문이다). 따라서, 지점당 배당되는 힘은 거리의 제곱에 반비례할 수 밖에 없다. 나눠줄 점들이 거리의 제곱에 비례해서 계속 늘어나기 때문이다.

중력으로 돌아와서, 이제 이 중력이라는 것을 수학적으로 나타내 보기로 하자. 계속 강조하듯이, 물리라는 학문 자체가 수학적인 모델링에 그 기본 뼈대를 두고 있기 때문에 이런 귀찮은(?) 작업은 필수적이다.

vec[F(r)] = -GMm/(r^2) vec[e_i]

벡터 F(r)은 바라보는 질점이 바라보아지는(..) 질점에게 가해주는 힘이며,G는 비례상수를 나타낸다. 유래는 아무래도 영어단어 gravitation에서 온 듯 하다. M과 m은 두 질점의 질량을 말하며, r은 두 질점 사이의 거리를,벡터 e_i는 바라보는 질점에서 바라보아지는(..) 질점을 잇는 벡터의 단위벡터를 말한다. 말이 좀 꼬여있기는 한데, 다음 예를 보면 쉽게 이해할 수 있으리라 생각한다.

질점 M이 질점 m을 징그럽게 끌어당기는 힘은 위의 식과 같이 나타난다고 할 때, 벡터 e_i는 질점 M을 시점으로 하고 질점 m을 종점으로 하는벡터와 같은 방향의 단위벡터이다. 이쯤 되면 왜 - 부호가 붙었는지 이해할 수 있을 것이다. 근본적으로 벡터 e_i는 밀어내는 방향의 벡터이다. 중력은 끌어당기는 힘이므로, 필연적으로 - 부호가 붙게 되는 것이다.

2체문제와 환산질량

이제 두 물체가 중심력으로 서로 영향을 주고받는 상황을 다루어 보자. 이런 경우는 참 복잡하다. 이런 문제는 하나를 고정시키고(누구맘대로인지는 모르겠다) 다른 하나만 자유로이 움직인다고 가정하고 풀면 매우 쉽게 풀린다. 두개의 물체를 전부 고려해 주어야 했는데, 이제는 그 수고를 덜 수 있기 때문이다. 이제 그 수학적 기교를 보도록 하자.

먼저, 두 물체의 질량은 변하지 않는다고 가정하자. 이렇게 질량이 불변하다는 가정을 하면 여러가지로 참 편리하다. 대표적인 예로 운동량의 시간에 따른 변화로 정의되는 힘이 매우 간단해진다는 것이다. 이제 두 질점을 가정해 보자. 두 질점은 각각 M, m의 질량을 가지고 있으며, 두 질점의 위치벡터는 r_1, r_2이며, 두 질점 사이에 작용하는 중심력은 질점 M에서 기술된다고 하자. 그렇다면 방정식은 다음과 같이 나타내어 질 것이다.

m (d^2 vec[r_1])/(d t^2) = F(|vec[r_1]-vec[r_2]|) vec[e_i]

뉴턴의 제 3번째 법칙을 기억하시는지? 기억하신다면 다음과 같이 나타내는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. F의 힘을 M이 m에게 먹이고 있으니, 자기는 -F를 먹어야지.

M (d^2 vec[r_2])/(d t^2) = -F(|vec[r_1]-vec[r_2]|) vec[e_i]

이 두 식에서 각각 질량으로 나누어주고 위에서 아래를 빼 보자.

(d^2 vec[r_1])/(d t^2) -(d^2 vec[r_2])/(d t^2) = (M^-1 + m^-1) F(|vec[r_1]-vec[r_2]|) vec[e_i]

이제 vec[r]을 vec[r_1]-vec[r_2]로 정의해주고 잘 정리해 보자.

(mu) (d^2 vec[r])/(d t^2) = F(|vec[r]|) vec[e_i]

한결 식이 간단해졌다. 이 방정식은 이제질점 M이 바라보는 질점 m의 운동의 방정식이 된다. 이때의 mu는 mM/(m+M)으로 정의되며, 이것을 환산질량이라고 부른다. 더 공부할 사람들은 앞으로 이 환산질량을 많이 쓰게 될 것이다. 이 포스팅의 주요 목적은 물리적인 현상을 쉽게 설명하는 데 있고, 이후 중심력에 대한 부분은 대부분 수학적인 풀이법에 그치므로, 이쯤에서 포스팅을 마친다.

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