[PSAT 기출] 2016 5급 언어논리 4책형 37번 해설 – 뉴턴 중력 아인슈타인 질량

개요

다음은 2016년 국가공무원 5급 언어논리영역 4책형 37번 문제 해설이다.

문제

문 37. 다음 글의 빈칸에 들어갈 내용으로 가장 적절한 것은?

뉴턴은 무거운 물체가 땅으로 떨어지는 것과 달이 지구 주위를 도는 것은 동일한 원인에 의한 현상이라고 생각했다. 그는 행성들이 태양 주위를 도는 것도 태양과 행성 사이에 중력이라는 힘이 존재하기 때문이라고 보았다. 뉴턴은 질량 인 물체와 질량 인 물체의 중심이 만큼 떨어져 있을 때 물체 사이에 작용하는 중력 는 다음과 같이 표현된다고 보았다.

\(F=G\dfrac{m_{1}m_{2}}{r^2}\) (단, 는 만유인력 상수임)

뉴턴은 이렇게 표현되는 중력으로 행성들과 달의 운동을 잘 설명할 수 있었다. 이 힘은 질량을 갖는 것이라면 우주의 모든 것에 작용한다는 점에서 ‘보편’ 중력이라고 부를 만하다. 그렇지만 뉴턴은 왜 이런 힘이 존재하는지를 설명하지 못했다.

그에 대한 설명은 20세기에 들어와 아인슈타인에 의해 이루어졌다. 아인슈타인에 따르면 중력은 물질 근처에서 휘어지는 시공간의 기하학적 구조와 관계가 있는데, 이처럼 휘어지는 방식은 마치 팽팽한 고무막에 볼링공을 가만히 올려놓으면 고무막이 휘어지는 것과 비슷하다. 이 상태에서 볼링공 근처에서 구슬을 굴렸을 때 구슬의 경로가 볼링공 쪽으로 휘어지거나 구슬이 볼링공 주위를 도는 것은 태양의 중력을 받아 혜성이나 행성이 운동하는 방식에 비길 수 있다. 아인슈타인은 중력이라는 힘을 물체의 질량에 의해 시공간이 휘어진다는 개념을 통해서 설명할 수 있음을 보였다.

더 나아가서 아인슈타인은 뉴턴의 중력 개념으로는 설명할 수 없는 현상을 자신의 중력 개념으로부터 추론해냈다. 그는 태양의 큰 질량 때문에 태양 주위에 시공간의 왜곡이 발생해서 태양 주위를 지나가는 광자의 경로가 태양 쪽으로 휘어진다고 예측했다. 그러나                         ?                             는 사실을 고려하면, 뉴턴의 중력 이론의 관점에서는 이렇게 될 이유가 없다. 이러한 상반된 예측 중 어느 쪽이 옳은가를 확인하기 위해 나선 에딩턴의 원정대는 1919년에 개기일식의 기회를 이용해서 별빛의 경로가 태양 근처에서 아인슈타인이 예측했던 대로 휘어진다는 사실을 확인했고, 아인슈타인은 뉴턴을 능가하는 물리학자로 세계적인 명성을 얻게 되었다.

① 광자는 질량을 갖지 않는다

② 진공 속에서 광자의 속력은 일정하다

③ 물체의 질량이 클수록 더 큰 중력을 발휘한다

④ 중력은 지구의 표면과 우주 공간에서 동일하다

⑤ 시간과 공간은 물체의 질량이나 운동에 영향을 받지 않는다

 

출처: 사이버국가고시센터

문제 해설

① 광자는 질량을 갖지 않는다

뉴턴은 중력이 질량을 갖는 두 물체 사이에서 작용한다고 보았다.

아인슈타인은 팽팽한 고무막에 볼링공을 올려놓으면 고무막이 휘어지는 것처럼 중력이라는 힘이 물체의 질량에 의해 시공간이 휘어진다는 개념을 통해서 설명할 수 있음을 보였다.

더 나아가 아인슈타인은 태양 주위를 지나가는 광자의 경로가 태양의 큰 질량 때문에 중력이 작용해서 태양 쪽으로 휘어진다고 예측했다. 이는 뉴턴의 중력 개념으로는 설명할 수 없는데, 그 이유는 중력이 작용하려면 두 물체가 모두 질량을 가져야 하지만 뉴턴은 광자는 질량을 갖지 않는다고 보았기 때문이다.

\(F=G\dfrac{m_{1}m_{2}}{r^2}\)에서 뉴턴 입장에서는 광자의 질량이 0이기 때문에 중력 역시 0이 되어 광자의 경로가 태양 쪽으로 휘어질 수 없는 것이다. 하지만 아인슈타인은 광자가 질량을 갖는다고 보았고, 광자의 경로가 태양 쪽으로 휘어진다고 예측한 것이다.

따라서 보기의 내용은 옳다.

 

② 진공 속에서 광자의 속력은 일정하다

뉴턴과 아인슈타인 모두 중력이 작용하는 원리에 진공이란 조건은 포함되어 있지 않다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

③ 물체의 질량이 클수록 더 큰 중력을 발휘한다

아인슈타인은 태양의 큰 질량 때문에 태양 주위에 시공간의 왜곡이 발생해 큰 중력으로 인해 광자의 경로가 태양 쪽으로 휘어진다고 예측했다.

\(F=G\dfrac{m_{1}m_{2}}{r^2}\)

 

뉴턴 역시 물체의 질량이 클수록 더 큰 중력을 발휘한다고 보았다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

 

④ 중력은 지구의 표면과 우주 공간에서 동일하다

\(F=G\dfrac{m_{1}m_{2}}{r^2}\)

 

뉴턴은 중력이 위 공식에 따라 분모인 거리에 반비례하기 때문에 지구의 표면과 우주 공간에서 다르다. 지구 표면에서 더 크다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

 

⑤ 시간과 공간은 물체의 질량이나 운동에 영향을 받지 않는다

뉴턴은 물론 아인슈타인 역시 시공간이 물체의 운동에 의해 영향을 받는다고 보지 않았다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

 

정답은 ①번이다.

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