케플러의 법칙
1610년 케플러는 스승인 티코 브라헤가 오랫동안 기록한 화성의 위치 자료를 분석했다. 그리고 코페르니쿠스의 지동설에 근거해 화성의 궤도를 경험적으로 유도했다.
그 결과 화성은 원 궤도가 아닌 타원 궤도로 태양을 공전하고, 태양을 중심으로 일정한 면적 속도로 운동한다는 것을 밝혀냈다.
케플러는 더 나아가 행성 공전 주기의 제곱이 태양과 행성 사이의 거리 세제곱에 비례한다는 ‘조화의 법칙’을 발견했다. (47p)
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이로써 태양을 중심으로 하는 행성계는 아름다운 기하학적 도형으로 기술되며, 힘의 작용에 의해 원리적으로 운행되고 있다는 사실을 알게 되었다. (47p)
새로운 과학혁명, 정점에 이르다.
1600년대 초 당시까지 알려져 있던 물체 간에 상호 작용하는 힘은 자기력이었다. 자연 상태의 자석은 어렵지 않게 찾을 수 있었고, 자석은 서로 끌어당기기도 하고 밀어내기도 한다는 사실을 경험적으로 잘 알고 있었다. 그러나 케플러가 밝혀낸 태양과 행성 간의 상호 작용, 즉 행성의 태원 궤도는 자기력으로 설명할 수 없었다. (47p)
1600년대 중반에 이르러 뉴턴은 만유인력이라는 새로운 힘의 개념을 도입하여 태양을 중심으로 하는 행성의 타원 궤도 운동을 이론적 원리로 설명했다. 행성의 운동 궤도를 작은 운동 궤도의 합으로 인식하고, 이에 미분과 적분의 개념을 적용했다. 그리고 질량을 가진 운동하는 물체의 특성을 운동량, 즉 관성 질량 및 운동 속력의 곱으로 표현하고, 운동량의 시간에 대한 변화를 외부에서 주어지는 힘으로 표현했다. 그리고 질량을 가진 물체들의 상호 작용하는 힘은 거리의 제곱에 반비례하며, 질량의 곱에 비례하는 만유인력으로 표현했다. (48p)
뉴턴은 『프린키피아』라는 책에서 이러한 원리를 미분 적분학의 개념과 함께 수학적 이론으로 기술했고, 이로부터 행성의 탸원 궤도 운동을 완벽하게 설명했다. 이로부터 우주에 존재하는 모든 물체가 만유인력이라는 힘으로 상호 작용하고 있다는 새로운 사실을 증명했다. 이렇게 태양을 중심으로 하는 지구를 포함한 행성들의 타원 궤도 운동을 이론적 원리로 이해하면서 코페르니쿠스가 주장한 지동설이 완성되었고 새로운 과학혁명이 정점을 찍게 되었다. (48p)
우주 레시피 / 손영종 지음 / 오르트