[박종진의 과학이야기] 고전물리학

박종진

고대로부터 우리의 우주관은 프톨레마이오스가 기초한 지구 중심의 천동설이었다. 그러다 중세에 들어와 코페르니쿠스가 지동설을 주창하였고, 갈릴레이에 의해서 과학적으로 뒷받침되었다. 그러나 중세에 유럽 권력의 핵심인 교황청에서 보면 이는 엄연한 신성모독이었다. 급기야 갈릴레이는 교황청 법정에 세워졌다.
 
그 당시 이탈리아의 베네치아는 유리 세공이 크게 발달했는데 호화로운 식기나 장신구는 물론이고 아주 정교한 광학 렌즈를 만들 수 있는 수준이었다. 갈릴레이는 거기서 고성능 렌즈를 만들어 망원경의 배율을 높였고, 그렇게 개량된 망원경을 높은 건물에 설치하고 호기심 많은 부자 귀족과 성직자들에게 먼 곳의 물체를 가깝게 보여줘서 돈을 벌었다. 그래서 모두 망원경으로 남의 침실을 엿보거나 기껏해야 군사적 용도로 이용하려는 동안 갈릴레이는 정작 그 망원경으로 전혀 다른 세상을 보고 있었다.  
 
그는 하늘에 떠 있는 달과 목성을 관찰했다. 달 표면은 우리 맨눈으로 보는 것처럼 매끄럽지 않고 울퉁불퉁한 모습이라거나, 목성의 위성 4개를 찾아낸 것이 그때 일이었다. 갈릴레이는 관찰과 실험을 통해서 자연현상에서 일반적인 법칙을 유도해내는 근대적 물리학을 처음으로 시작한 사람이었다.  
 
무엇보다도 그는 수성의 움직임을 관찰하다가 수성이 지구를 중심으로 움직이지 않는다는 사실을 알았다. 그때는 태양과 달도 지구를 도는 행성이라고 생각했다. 결국, 지구도 태양 주위를 공전하는 행성 중 하나라는 결론을 내린 그는 코페르니쿠스가 제기한 지동설을 과학적 방법으로 증명했다.
 

갈릴레이와 동시대 사람인 케플러는 그 당시 점성술과 그다지 구별 없던 천문학을 보편적 수리물리학으로 발전시켰으며, 특히 기하학의 대가답게 정다면체를 이용해서 행성의 운동을 밝히려고 노력했고, 행성의 타원운동을 수식화했다. 그가 밝혀낸 행성운동을 토대로 나중에 뉴턴은 만유인력을 발견하게 되었다.
 
인류 역사상 가장 눈부신 업적은 뉴턴이 발견한 만유인력의 법칙이다. 세상의 모든 물체는 땅으로 떨어진다. 왜 땅으로 떨어지는지 생각을 해보거나 의구심을 가졌던 사람은 단 한 사람도 없었다. 당연한 일이었으니까. 그런데 뉴턴은 달랐다. 그는 꼭지에서 끊어진 사과가 하필이면 하늘로 치솟지 않고 땅으로 떨어지는 데는 어떤 이유가 있을 것으로 생각했다.  
 
그는 하늘의 달이 지구로 떨어지지 않고 떠 있는 이유가 궁금했다. 달은 일직선으로 지구 근처를 지나가는데 지구가 잡아당기니까 지구에 잡혀 그 주위를 맴돌고 있다는 생각이 들었다. 급기야 그는 이 세상의 모든 물체는 서로 당기는 힘이 있다는 사실을 깨달았다. 모든 물체가 땅으로 떨어지는 것을 가장 처음 이상하게 생각한 사람이 바로 뉴턴이며, 인류 역사상 가장 위대한 업적이 바로 뉴턴의 만유인력의 법칙 발견이다.
 
뉴턴은 운동법칙을 발견한 것으로도 유명하며, 미적분을 완성하였을 뿐 아니라 원운동, 공기나 액체 속 물체의 움직임, 탄환이나 대포알의 궤적, 지구를 비롯한 천체 만물의 움직임 같은 모든 물리학적 운동을 수식화하였다. 뉴턴이 집대성해서 아인슈타인에 이르는 물리학 체계를 고전물리학이라고 한다. (작가)
 

박종진