중력 법칙에 대하여

중력은 자연의 기본적 힘들 중에서 가장 명확하다. 운동 법칙 및 역학 에너지에 대하여 이해하였으니 여기서

중력의 몇 가지 현상을 탐구해 보자. 역사적으로 중력 이론은 머나먼 우주의 본질과 진화에 대한 더욱 명확한

이해하는 데 중요한 역할을 했다. 우주 시대에 이르러 중력에 대한 지식을 태양계에 대한 탐사와 많은 우주

기지를 만드는 기술을 피하는 데 사용해 왔다. 최신의 천체 물리학의 응용을 제외하고는 모두 1600년대

후반에 Issac Newton이 개발한 중력 이론이 아직 사용되고 있다.

 

Newton의 중력이론은 폴란드 천문학자 NicoIaus Copernicus가 1543년에 내
놓은 '행성들은 지구가 아닌 태양을 중심으로 돈다'는 급진적인 제안으로 시작된
두 세기에 걸친 과학혁명의 정점이었다. 그 이전에는 지구가 우주의 중심이며 

불완전 세계라고 주장한 그리스의 철학자이자 과학자인 Ari stole과 Ptolemy의 

견해가 지배적이었다. 지상의 물체들은 저절로 지구를 향해 이동한다. 반면에,
천체들은 완전해서 오로지 완전한 원 상에서 운동한다. Copernicus조차 행성의 

운동은 완전한 원운동이라고 주장하며 천상계와 지상계 사이의 엄격한 구별을

주장했다.
Copernicus의 연구가 발표된 지 50년 후, 덴마크 귀족 Tycho Brahe는 정확한
행성 관측이 착수했다. Tycho가 죽은 후 1601년 그의 조수 Johannes Kepler는
그 관측을 이해하기 위한 연구를 하였다. 행성운동은 완전한 원운동이라는

필요조건을 버리는 근본적인 조치로 그의 연구는 성공을 거두었다. Kepler는

그의 새로운 견해를 세 가지 행성운동 법칙으로 요약했다.

 

Kepler의 제1 법칙: 행성들은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도에서 태양을

돌고 있다(그림 9-1)

 

Kepler의 제2 법칙: 태양과 한 행성을 잇는 직선은 같은 시간에 같은 면적을 쓸고
지나간다(그림 9-2)

 

Kepler의 제3 법칙: 한 행성의 공전 주기의 제곱은 그 궤도의 반 장축의 세제곱에
비례한다(그림 9-1)

 

Kepler의 법칙은 오직 관측에만 의존하였지. 이론적 기초가 없었다. 따라서
Kepler는 어떻게 행성들이 이동하는지는 알았지만 왜 그렇게 이동하는지를
알지 못했다.
Kepler가 그의 첫 번째 두 법칙을 발표한 직후, Galileo는 그의 첫 번째 망원경을 

하늘에 가늠하였다. 그의 발견들에는 목성을 도는 네 개의 달, 완전한 구라고 

생각되는 태양을 더럽히는 흑점, 그리고 금성의 위상(그림 9-3이 있었다.

 

그림 9-1 Kepler의 첫 번째 법칙은
행성궤도가 태양이 한 초점이고 다른 

초점은 공간의 한 점인 타원이라는 

표현이다. 그림의 타원은 매우 과장되어 

있다. 실제로 명왕성을 제외한 모든 

행성들의 궤도는 거의 원이다. (원도 

두 초점이 원의 중심에서 일치하는 

일종의 타원이다) 그림의 직선은 

타원의 장축이고 그 길이의 반이 

Kepler의 제3 법칙에 나오는
반 장축이다.

 

그림 9-2 Kepler의 일정 면적 법칙.
행성이 A에서부터 B로 가는 시간과
C에서부터 D로 가는 시간이 같다면
그늘진 부분의 면적이 같다. 이것은
행성이 태양에 가까이 있을 때 더
빨리 이동한다는 것을 의미한다.

 

그림 9-3. 지구 중심의 우주에서는
금성은 초승달에서부터 보름달까지
의 모든 위상을 나타내지 않을 것이며 

그 겉보기 크기는 지구와의 일정한 

거리 때문에 일정할 것이다.

Galileo의 금성 관측은 Copernicus의
태양 중심 이론의 강력한 증거가

되었다.

 

그의 관측은 모든 천체가 완전하다는 관념에 의구심을 불러일으켰으며 태양
이 행성운동의 중심이라는 Copernicus의 관점에 힘을 실어주었다. Copernicus
의 이론에 대한 옹호로 인해 Galileo는 1633년 이단으로 유죄 판결을 받게 되고
가택 연금에 처했다. 1992년에서야 비로소 바티칸은 공식적으로 과오를 인정
하고 Galileo에 대한 찬사를 보냈다
Newton 시대에 와서 Copernicus와 더불어 시작되었던 혁명이 꽃을 피우기 위
한 지적 분위기가 무르익었다. Newton이 사과나무 아래에 앉아 있을 패 사과가
떨어져 그의 머리를 때렸고 이에 따라 그가 중력을 발견하게 되었다는 전설이
있다. 그 이야기는 아마도 지어낸 말일 거다. 그러나 그것이 사실이라면 이야기
의 다른 절반은 아마도 사과에 부딪혔을 때 Newton은 달을 보고 있었을 것이
다. Newton의 천재적 재치는 다음과 같이 말할 수 있다.:

 

Newton은 사과의 운동과 달의 운동이 동일하다는 것을 깨달았다: 둘 다 동일한
힘을 받아 지구를 향해 "떨어진다"는 것이다.

 

Newton은 라틴어에서 "무게"를 의미하는 gravitas를 따서 이 힘을 중력(gravity)이라

불렀다. 인간의 사고 역사에서 가장 포괄적인 종합 중의 하나로서 Newton은 지상계와 

천상계에 대한 구별을 영원히 없애 버렸다. 대신, 그는 우주에 있는 모든 것의 운동은 

동일한 물리법칙들의 지배를 받는다는 것을 암시했다.