넓고 넓은 우주속 자그마한 행성, 우리는 지구라는 행성에 살고 있습니다. 지구의 물리학적 특징은 무엇일까요? 과연 이 지구의 무게는 얼마일까요? 인간은 자신의 몸무게에 대해서 관심이 아주 많습니다. 비만과 관련하여 적정한 체중을 유지하고자 노력을 많이 합니다. 이런 우리의 몸무게를 어떻게 측정할까요? 우리는 무게를 측정할 때에 저울이라는 기구를 이용하여 무게를 잽니다. 그렇다면 이 거대한 지구의 무게를 측정하는 방법은 무엇일까요? 지구를 들어 올려 저울이라는 큰 장치에 올려 놓고 무게값을 읽을 수 있을까요? 절대로 불가능한 일이란 것을 잘 아실 것입니다. 하지만 우리는 지구의 무게를 알고 있습니다. 과학의 발전으로 지구를 저울위에 올리지 않고도 무게를 알게 된 것입니다. 지구의 무게를 측정하고자 했던 시도부터 시작하여 지구의 무게가 얼마인지를 알아보도록 하겠습니다. 여기서 한가지 무게를 측정하기 전에 확인하고 넘어가야 할 일이 있습니다. 그것은 무게와 질량의 정의입니다. 먼저 질량의 정의부터 알아 보면 질량이란 '물체가 내재한 물질의 양으로 나타내는 것으로, 물체의 크기나 형태에 관계없이 일정한 값을 가지며, SI 단위로는 킬로그램(kg)을 사용합니다' 반면에 무게는 '물체가 중력에 의해 받는 힘을 의미합니다. 무게는 질량과 중력의 상관관계에 의해 결정되며, 지구의 중력 가속도에 의해 영향을 받습니다. 무게는 일반적으로 뉴턴(N)이나 파운드(lb)와 같은 단위로 표시되며, 물체의 질량에 중력 가속도를 곱한 값으로 계산됩니다.' 그렇다면 이 블로그의 제목은 '지구의 무게는 얼마인가요?' 인데, 이 제목이 논리적으로 맞는 것일까요? 무게와 질량의 정의를 이해하면 제목이 틀렸다는 것을 알 것입니다. 왜냐하면 지구의 무게는 결국 중력가속도의 개념이 들어가야 하는데 지구라는 혹성에 대해 중력 가속도를 적용할 수 없기때문입니다. 지구의 중심부에서 지구표면에 있는 물체에 작용하는 중력가속도가 지구 자체에 대해서는 작용을 할수가 없기 때문입니다. 그러므로 중력가속도의 개념이 적용하기 전의 질량의 개념으로 지구의 무게를 이해하여야 합니다. 결론을 말하자면 지구의 질량은 얼마인가요? 가 정확한 제목이 됩니다.
과학자의 지구 질량 측정 이야기 1
18세기 후반, 정확하게는 1797년에서 1798년에 걸쳐 영국 과학자 헨리 캐번디시는 과학 역사에 길이 남을 획기적인 실험을 수행했습니다. 그의 목표는 바로 지구의 질량을 정확하게 측정하는 것이었고, 이를 위해 그는 토션 발란스라는 정교한 장치를 이용하여 미세한 중력을 측정하는 '캐번디시 실험'을 고안했습니다. 캐번디시 실험은 당시 과학 기술의 한계를 뛰어넘는 탁월한 실험 설계와 섬세한 측정 기술을 보였주었습니다. 그는 토션 발란스에 작은 납구를 매달고, 그 주변에 큰 납구를 배치하여 두 물체 사이의 미세한 중력이 토션 발란스에 미치는 영향을 측정했습니다. 이를 통해 그는 중력상수 G를 계산할 수 있었고, 이 값을 이용하여 지구의 밀도와 질량을 추론했습니다. 캐번디시 실험 이전에도 지구 질량을 측정하려는 다양한 시도가 있었지만 정확도가 떨어지는 문제점을 가지고 있었습니다. 반면 캐번디시는 과학적 오류를 최소화하기 위해 정교한 실험 장치를 설계하고 엄격한 측정 과정을 수행했습니다. 그의 실험 결과는 이전 시도들보다 훨씬 높은 정확도를 자랑하며, 오늘날까지도 지구 질량 측정의 기준값으로 활용되고 있습니다. 그가 측정한 중력상수 G는 6.674 × 10^(-11) N m^2/kg^2 이었으며, 이는 오늘날 사용되는 값과 매우 유사하며, 지구 질량은 5.97 × 10^24 kg의 값을 얻었습니다. 이 또한 이전 시도들보다 훨씬 더 정확한 값이었으며 오늘날까지도 지구 질량 측정의 기준값으로 활용되고 있을 정도입니다.
과학자의 지구 질량 측정 이야기 2
헨리 캐번디시의 지구 질량 측정 실험은 1797~1798년에 걸쳐 수행되었습니다. 이 시기보다 50여 년이 앞선 1749년 프랑스의 과학자 피에르 부게는 중력 섭동을 측정하여 지구의 질량을 계산하려는 시도를 했습니다. 그는 푸아소 산의 근처에서 이 실험을 진행했는데, 이 실험은 당시에는 대단한 도전이었습니다. 당시에는 정확한 지구의 질량을 알 수 있는 방법이 없었고 부게는 이 문제에 도전하기로 결심했습니다. 부게의 실험은 푸아소 산에서 흔들리는 시계의 진동수를 측정하여 산의 질량을 추정하는 것으로 시작하였습니다. 그는 시계의 진동수가 산의 질량과 관련이 있다고 가정하였고, 이를 기반으로 지구의 질량을 계산하려고 했습니다. 그러나 그이 측정은 정밀도가 부족하였고, 산의 질량 분포에 대한 정확한 정보가 없었기 때문에 오차가 발생했습니다. 그는 실험을 통해 지구의 질량을 계산하는 데에는 많은 어려움이 있다는 것을 깨달았습니다. 지구의 질량은 매우 크고, 지구 내부의 구조와 지질학적 특성 등 다양한 요인을 영향을 받기 때문에 정확한 측정이 어렵습니다. 또한 실험을 수행하는 데에는 많은 비용과 시간이 필요하며, 실험과정에서 발생하는 오차를 최소화하는 것도 중요합니다. 그럼에도 불구하고 부게의 실험은 지구의 질량을 측정하는 데 있어서 첫번째로 시도된 실험이었고, 이후의 연구에 큰 영감을 주었습니다. 그의 실험은 지구의 질량 측정에 대한 연구의 중요성을 인식시키는 데 큰 역할을 했습니다. 이후의 과학자들은 부게의 실험을 바탕으로 더 정확한 측정 방법을 개발하였고, 현대의 과학 기술의 발전으로 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있게 되었습니다. 피에르 부게가 측정한 지구의 질량 측정값은 6.4 × 10^24 kg입니다. 이 값은 현재 알려진 지구의 질량 측정값과 비교하면 약 8% 정도 차이가 나는 값입니다.
과학 기술을 활용한 지구 지량 측정 방법
최신의 과학 기술을 이용한 지구 질량 측정 방법은 여러가지가 있으며, 1960년대에 인공위성을 이용한 지구 질량 측정, 레이져를 이용한 지구 중력을 측정하여 질량 값을 확인하는 방법, 안타깝지만 핵실험을 통해서도 지구의 질량을 얻을 수 있습니다. 이 외에 심해저 탐사를 이용하여 심해에서의 중력값을 측정, 이를 이용하여 지구의 질량을 측정할 수 있습니다. 최신 기술을 통해 확인한 지구의 질량값은 놀랍게도 헨리 캐번디시가 측정한 값 5.97 × 10^24 kg 과 거의 동일합니다.