무중력과 아인슈타인의 등가원리

무중력이란 무엇일까?

무중력이라는 용어는 아이러니하게도, 중력만이 물체에 작용할 때의 상황을 의미한다. 좀 더 자세히 말하자면, 중력에 대한 평형력 없이 오로지 중력만이 물체에 미칠 때를 말한다.

우리가 힘을 받고 있음을 느끼는 것은 수직항력이라는 중력에 대한 평형력의 영향으로 우리 몸의 단면에 대한 normal stress가 작용하기 때문이다. 하지만, 만약 이런 힘이 없어서 normal stress가 0이라면, 우리는 엄밀히 가속되고 있지만 힘을 받고 있는지 없는지를 알 수 없게 되는 것이다. 따라서 무중력은 다음과 같이 요약할 수 있다.

"물체의 어느 단면에 대해서도 normal stress가 0인 상황이 만들어지면 물체는 자신에게 가해지는 힘을 느낄 수 없다. 따라서 무중력이란, 물체의 모든 부분에 균일한 중력이 작용하여 물체가 힘을 느끼지 않은 채 가속되는 상태를 의미한다."

하지만 의문이 생긴다. 중력만을 받는 계 역시 비관성인계가 아닌가? 비관성계의 모든 물체는 관성력이라는 가상의 힘을 느낄텐데 이는 어떻게 설명할 수 있을까?

비관성계에서 기본적으로 물체가 힘을 받는다고 느끼는 이유는 물체의 각 부분이 불균일하게 가속되기 때문이다. 따라서 균일한 장에 놓인 비관성계는 마치 균일한 장 속의 관성계처럼 해석할 수 있으며, 이는 곧 아인슈타인의 등가원리가 의미하는 바이기도 하다.


2016.08.08