달이 아인슈타인의 상대성 이론을 확인하는 데 어떻게 도움이 되는지

한 가지 목적으로 수집된 데이터를 사용하여 다른 것을 연구하는 것이 가능한 경우가 많습니다. 예를 들어, A 최근 논문 달 궤도에 대한 반세기 동안의 관찰을 통해 중력의 본질과 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 기여한 몇 가지 기본 가정에 대한 신중하고 정확한 테스트를 수행했습니다.

하나의 블록, 세 개의 기둥

질량은 물체를 구성하는 “물질”의 양으로 생각할 수 있습니다. 이로 인해 두 물체 사이에 중력이 발생하여 물체가 움직이기 어렵게 됩니다. 기본적으로 세 가지 기능을 제공합니다. 첫째, 질량은 다른 물체에 강제로 영향을 미치는 중력장을 생성하므로 이를 “활성 중력 질량”이라고 부를 수 있습니다. 둘째, 질량은 주변 물체의 중력 효과를 느낄 수 있는데, 이를 ‘음의 중력 질량’이라고 부를 수 있습니다. 셋째, 질량은 운동 변화에 저항합니다. 이것이 큰 암석을 밀어내는 것이 어려운 이유입니다. 따라서 우리는 이것을 “관성 질량”이라고 부를 수 있습니다.

기초 물리학 수업과 아인슈타인의 고급 이론에서도 질량의 세 가지 “유형”은 동일한 것으로 생각됩니다. 그러나 이런 일이 일어나야 하는 근본적인 이유는 없습니다. 각각은 다를 수 있습니다. 그들의 유사성에 대한 생각은 아인슈타인의 중력 이론의 기본 가정이기 때문에 이 추측을 테스트할 필요가 있습니다.

이것이 연구원들이 한 일입니다. 1969년 7월 21일, 아폴로 11호 우주비행사들은 달 표면에 레이저 반사경을 설치했고, 이후 달 탐사 임무에서는 추가 반사경을 설치했습니다. 그 이후로 연구자들은 지구와 달 사이의 거리를 모니터링할 수 있게 되었습니다. 이는 밀리미터 이내의 정확성을 지닌 놀라울 정도로 정밀한 측정으로, 사람 머리카락 굵기에 해당하는 정확도로 뉴욕과 로스앤젤레스 사이의 거리를 측정하는 것과 유사합니다. 한 가지 결과는 과학자들이 달이 연간 1.5인치(3.8cm)의 속도로 지구로부터 멀어지고 있다는 것을 확인했다는 것입니다.

활성 중력 질량 대 수동 중력 질량

가장 최근의 논문에서는 활성 질량과 수동 질량이 동일한지 여부를 조사했습니다. 이를 위해 연구자들은 달의 지질학적 이점을 활용했습니다. 아폴로 임무를 통해 마리아(달 표면의 커다란 검은 점)에는 철이 풍부하고 달의 고지대에는 알루미늄이 풍부하다는 사실이 밝혀졌습니다. 마리아는 달 내부에서 나오는 용암으로 형성되었기 때문에 연구자들은 달의 맨틀에 철분이 풍부하다고 가정했습니다. 달의 바깥 부분인 고지대는 알루미늄이 풍부한 달 지각의 화학적 구성을 반영해야 합니다.

능동 및 수동 중력 질량이 동일한 경우, 알루미늄에 대한 철의 중력은 철에 대한 알루미늄의 중력과 같아야 합니다. 그러나 능동 중력과 수동 중력의 질량이 다른 경우에는 알짜 힘이 있어야 합니다. 이 알짜 힘은 지구의 조석 운동과 유사하며 달의 궤도 속도를 높이거나 낮출 것입니다.

천문학자들은 1970년 4월부터 2022년 4월까지 반세기 넘게 달의 위치를 ​​측정한 결과 달의 궤도가 세기당 25.8각초만큼 느려지고 있음을 확인할 수 있었습니다. 이 속도라면 달이 현재의 속도로 계속해서 움직인다면 달이 원래 위치에서 1도 뒤로 물러나는 데는 14,000년 이상이 걸릴 것입니다.

이러한 신중한 측정을 통해 연구자들은 능동형과 수동형 질량이 본질적으로 동일하다는 결론을 내렸습니다. 만약 서로 다르다면 그 차이는 26조분의 1도 안 되는 수준일 것입니다.

아인슈타인의 확인

이 측정은 아인슈타인의 중력 이론 가정 중 하나의 타당성을 확인하는 데 중요합니다. 그렇지 않다면 암흑물질과 암흑에너지를 포함한 현대 천문학의 여러 측면에 의문을 제기했을 것입니다. 그러나 후자의 측정은 현재 이론적 틀의 타당성을 확인합니다. 다시 한번, 이는 아인슈타인이 옳았다는 것을 보여줍니다.