수성 근일점의 이동

어릴 때 읽은 과학책에는 행성들이 놀라울 정도로 규칙적으로 태양을 돌고 있다고 설명되어 있다. 행성들은 다른 행성들의 영향을 받지 않고 자신의 궤도에서 태양을 돌고 있는 것으로 되어 있다. 그러나 이는 행성의 운동을 너무 단순하게 나타낸 것이다.

수성 근일점의 이동

수성 근일점의 이동

요하네스 케플러 Johannes Kepler는 17세기 초에 행성의 궤도가 원이 아니라 타원이라는 것을 알아냈다. 이는 태양에서 행성까지의 거리가 위치에 따라 달라진다는 것을 의미한다. 행성이 태양에 가장 가까이 접근하는 점을 근일점이라고 한다. 만약 행성에 태양의 중력만 작용한다면 이 점은 항상 일정해야 한다. 그러나 다른 행성들의 중력 때문에 근일점이 옮겨간다. 다시 말해 행성이 태양을 한 번 돌 때마다 근일점이 조금씩 다른 점이 된다. 따라서 행성의 궤도를 그림으로 나타내면 호흡운동 기록지처럼 보인다.

1. 행성의 세차운동

이런 현상은 지구를 포함한 태양계의 모든 행성에서 일어난다. 근일점이 옮겨간 거리는 아크초 are see라는 단위를 이용하여 측정한다. 1 아크초는 3600분의 1도를 나타낸다. 뉴턴의 중력이론을 이용하면 수성을 제외한 모든 행성의 근일점 이동을 설명할 수 있다. 뉴턴 역학을 이용한 계산에 의하면, 수성의 근일점 이동은 100년에 5.557 아크초여야 한다. 그러나 측정 결과는 5600 아크초였다. 이 수수께끼는 20세기 초까지 풀리지 않았다.
1915년에 알베르트 아인슈타인이 새로운 중력이론인 일반상대성이론을 제안했다. 그는 중력이 질량 때문에 휘어진 4차원 시공간에 의해 작용한다고 설명했다(68쪽 참조) 일반상대성이론을 태양계에 적용하면 모든 행성의 근일점 이동을 정확히 설명할 수 있다. 중력이 약한 곳에서는 뉴턴 역학도 정확하게 행성의 운동을 설명할 수 있다. 그러나 수성의 궤도처럼 태양과 가까워 중력이 강한 곳에서는 일반상대성이론과 뉴턴의 중력이론 사이에 차이가 나타난다.

하지만 그것은 종이 위에서의 성공에 불과했다. 과학 이론이 받아들여지기 위해서는 실험적 증거가 필요하다. 그 증거는 4년 뒤인 1919년에 얻어졌다. 천문학자 아서 에딩턴 rthur Eddington 은 그해 일어난 개기일식을 가장 잘 관측할 수 있었던 서부 아프리카 해안의 작은 섬 프린시페에서 태양 주위의 별들을 관측했다. 개기일식이 일어나는 동안에는 밝은 태양 빛 때문에 평소 볼 수 없었던 태양 주위의 별들을 볼 수 있었다.

뉴턴과 아인슈타인의 중력이론은 이런 별들의 위치에 대해 다른 예측을 하고 있었다. 두 사람 모두 태양의 중력이 멀리 있는 별빛을 휘게할 것이라고 예측해 별들의 위치가 태양이 있을 때와 태양이 없을 때 약간 달라질 것이라고 했다. 그러나 아인슈타인의 중력이론에 의하면 별빛이 휘어지는 정도가 뉴턴 역학이 예측한 것보다도 배나 되었다.

1919년에 에딩턴은 태양 주위에 있는 별들의 사진을 찍어 이 별들이 정상 위치로부터 얼마나 멀어졌는지를측정하여 아인슈타인의 중력이론이 옳다는 것을 증명했다. 이로써 오랫동안 과학자들을 괴롭혔던 수성의 근일점 이동문제도 해결되었고, 일반상대성이론은 새로운 중력이론으로 자리 잡게 되었다.

 

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