상대성이론은 중력을 설명하는 이론이며, 핵심 중 하나는 중력장방정식이라는 중력을 설명하는 공식이다.
우리가 살아가는 지구가 중력이라는 용어가 탄생하기 이전에는 평평한 평원에서 살고 있다고 생각했었는데 둥근 구형 모양에서 산다는 것이 확인되면서 아주 곤란한 문제가 생겼다. 둥근 구면체에서 살고 있으면서도 미끄러져 추락하지 않고 지표면에서 자연스럽게 살아가는 원리를 이해할 수 없었기 때문이었다.
이때 영국의 뉴턴이라는 과학자가 모든 물체끼리는 서로 끌어당기는 힘인 만유인력이 존재하며 지구 또한 이러한 힘이 있어서 지구 중심으로 물체를 잡아당기는 보이지 않는 힘인 지구중력 때문에 가능하다고 프린키피아라는 책자를 통해 발표하면서 해소되었다. 그리고 수 백 년이 흐른 뒤인 1915년에 과학자 아인슈타인은 중력은 서로 끌어당기는 만유인력이 아니라 관성력의 작용이라는 특수, 일반상대성이론을 발표하면서 만유인력으로 설명하던 중력의 원리는 현재는 관성력으로 설명되어지고 있다.
중력은 우리 눈으로 감각적으로 확인되는 것이 아님으로 “중력이 무엇이냐?”라고 묻는다면 설명하기가 막막하다. 마치 공기나 햇빛 그리고 시간처럼 우리주변에 늘 존재하지만 설명이 난감한 영역이다.
중력을 질량을 가진 물체들 간의 즉각 반응으로 이해하는 것이 뉴턴의 만유인력 방식이고, 중력을 물체 간 상호작용으로 에너지를 내는 것으로 이해하는 것이 상대성이론 방식이라고 할 수 있다.
만유인력 방식이든, 상대성이론 방식이든 공통적인 것은 모두 질량이다. 따라서 중력은 대체로 질량(무게)을 의미하게 된다. 중력은 질량을 얻는 힘, 질량으로 인해 발생되는 상호작용력 등으로 해석할 수 있다.
이 중력질량이 변하여 에너지가 된다는 공식이 바로 E=mc² 이라는 에너지 공식이다.
그렇다면 에너지가 되는 원천인 질량은 어디서부터 온 것인가? 질량이 없는 물체가 존재하는가? 이러한 원리를 연구하는 학문분야가 양자역학이다. 양자역학에 의하면 질량이 없는 물체가 존재하는데 그것은 빛이라는 ‘광자’이다.
빛의 입자인 광자는 질량은 없지만 에너지가 있다. 우리가 매일 경험하는 TV화면, 스마트폰 등은 모두 이 광자에너지를 이용한 과학기술의 산물이다.
질량이 없는 광자에서 질량이 존재하는 중력으로 이행되는 과정을 설명하려면 질량이 존재하는 물체 사이의 인력으로 설명하는 뉴턴의 만유인력 방식으로는 설명이 안 된다. 그래서 상대성이론의 관성력이 만유인력 법칙을 대신하게 된 중요한 이유가 된다.
아인슈타인의 상대성이론에서 말하는 관성력은 아주 중요하면서도 이해하기 어려운 개념이 하나 있다. 그것은 질량(무게)을 뜻하는 중력과 속도를 뜻하는 중력가속도가 동일하다는 것이다. 즉 ‘중력=중력가속도’ 이다.
공중에서 지구표면을 향하여 떨어지는 무게와 떨어지는 가속도가 동일하다는 것이 상대성이론에서 밝히는 중력에 대한 내용이다. 이러한 중력과 중력가속도를 통틀어서 ‘관성력’이라고 부른다. 관념으로는 언뜻 이해된 것 같지만 실재 현실에서 이를 적용하는 것은 사실 대단히 어려운 영역이다.
우리가 알다시피 식물의 뿌리는 지구중력에 반응하는데 이를 ‘굴지성’이라고 한다. 이를 관성력에 대입하면 식물의 뿌리는 중력방향을 향하는 관성력이 있어서 지하방향으로 뿌리가 뻗어가며 자라게 된다.
그렇다면 줄기가 지상방향으로 향하는 관성력은 무엇일까?
우리는 통념적으로 식물줄기가 위로 올라가는 이유는 햇빛을 좇아 그렇게 위로 자란다고 한다. 이런 통념이 옳다면 암막으로 빛을 차단한 콩나물이 수직하게 위로 올라가며 자라는 이유를 설명할 수 있어야 한다. 식물이 햇빛을 얻기 위해 위로 자란다는 해석은 그럴법한 통념적 이론이지 사실은 아니다.
그렇다고 해서 중력이나 중력가속도로는 식물의 줄기가 위로 올라가는 현상을 더더욱 설명할 수는 없다. 왜냐하면 이렇게 되면 물이 줄기보다 앞서서 위로 올라가는 것인데 이는 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다는 일반적인 현상을 거스르는 사건이기 때문이다.
하지만 상대성이론의 관성력을 대입하면 물이 줄기보다 앞서서 거슬러 올라가는 현상을 설명할 수 있다. 이렇게 중력에 대항하여 반대로 향하는 힘을 과학자들은 ‘수직항력’이라고 붙여 놓았다. 지구중력에 의해 중력가속도로 떨어지는 힘과 방향에 맞서서 줄기가 반대방향인 하늘로 올라가는 이유는 수직항력이라는 관성력이 생기기 때문이다.
그러나 아직까지도 식물학에서는 이 수직항력이라는 관성력을 식물에 접목하지 못하고 있다. 뉴턴이 발견한 중력은 식물에 적용하여 굴지성이 있다고 하면서도 아인슈타인이 발견한 관성력은 식물에 적용하지 않는 이유가 무엇인지 의문이 들지 않을 수 없다.
이처럼 현재 식물의 성장에 대하여 중력에 대한 접목이 아주 제한적으로만 적용하고 있기 때문에 식물성장에 대한 전반적인 오류가 발생하고 있다.
뉴턴이 발견한 만유인력에 의한 중력의 오류를 아인슈타인이 관성력에 의한 중력으로 수정한지 100여 년이 지나고 있지만 이를 식물에는 전혀 적용하지 않고 있는 것이 현재 식물학 현상에 나타나는 오류이다.
다음 편에 계속...
김진한 칼럼니스트는?
1968년 6월 생으로 제주 성산 삼달리에서 출생하여 삼달초교, 신산중, 금오공업고등학교, 금오공과대학을 졸업, 91년 육군소위로 임관하여 장교로 군복무 후 육군대위 전역, 2002년도 출생지로 돌아와 귀농 하였다.
이후 2004년 '제주대 최고농어업경영자과정', 2009년 '한국벤처농업대학' 등의 과정을 수료, 2004년~7년까지 '제주도정보화농업인연합회' 창립발기인 및 초대, 2대 사무국장을 역임 하는 등 쉼 없는 노력을 인정받아 2006년 '전국 농업인 홈페이지 경진대회 최우수 농림장관상','농촌진흥청장 표창', 2011년 '농업인 정보화 관련 유공 제주도지사 표창' 등 다수의 상을 수상 하였다.
또한 여러 활동과 경험을 바탕으로 농업과 공학을 접목시키는 기술을 연구, 2015년 '감귤나무를 포함하는 과실나무의 전정방법', 2016년 '이동식감귤선별장치' 2017년 '감귤나무를 포함하는 과실나무의 전정방법' 등을 특허등록 하였다.
저서로는 2015년 '상대성이론과 식물역학'(하나출판), 2016년 '중력파와 식물성장법칙'(하나출판)이 있으며, 2018년에는 '전정법 개선으로 고품질 감귤생산 실용과제' 를 '대산농촌재단 농업실용연구총서7'에 발표 하였다.
<본 칼럼의 내용, 이론은 김진한 칼럼니스트 개인 연구 결과임을 참고 바랍니다>
