뉴턴의 중력의 법칙이란?

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뉴턴의 ‘중력(重力)의 법칙’이란?

 

 

위대한 물리학자인 갈릴레오가 세상을 떠나던 해, 한 사람의 위대한 물리학자이며 수학자인 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642-1727)이 영국에서 탄생했다. 뉴턴은 어렸을 때 성적이 꼴찌에 가까웠다. 그러나 1660년에 케임브리지 트리니티 칼리지에 입학한 이후부터 역사상 가장 훌륭한 과학자의 면모를 보이기 시작했다.

 

뉴턴은 정원에서 사과가 땅으로 떨어지는 것을 보면서, “왜 사과는 수직으로 땅에 떨어질까?” 하고 의문을 가졌다. 그는 “사과가 떨어지는 이유는 어떤 힘이 잡아당기기 때문일 것이다. 그렇다면 하늘에 뜬 달은 왜 떨어지지 않을까?”하고 깊이 생각하기 시작했다. 결국 그는 우주에 있는 만물은 모두 인력을 가졌으며, 그 인력에는 다음과 같은 법칙이 작용한다는 만유인력(萬有引力, Universal Gravitation)의 법칙, 즉 '중력의 법칙'을 발견했다.

 

“두 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘(중력, gravitation)이 작용한다. 중력의 세기는 물체가 가진 질량의 곱에 비례하고, 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.”

 

이것은 F = G m₁ m₂ /r² 이라는 공식으로 간단히 나타낸다. F는 중력의 세기, m₁과 m₂는 두 물체의 질량, r은 두 물체 사이의 거리, 그리고 G는 중력상수(重力常數, gravitational constant)를 나타낸다. 중력상수는 뉴턴의 중력 법칙과 아인슈타인의 일반상대성 이론에 나오며, 가장 측정하기 어려운 물리학의 한 수치이다.

 

뉴턴은 중력의 법칙 외에 여러 가지 과학과 수학의 연구 결과를 기록한 저서 <자연철학의 수학적 원리>(Mathematical Principle of Natural Philosophy)를 1687년에 내놓았다. 라틴어로 쓴 이 책은 역사상 최고의 과학서였기에 당시 ‘과학의 성서(聖書)’라고 불릴 정도였다. 오늘날에는 이 책을 간단히 <프린키피아>(Principia)라 부르고 있다. <프린키피아>의 제 1권에는 힘에 대한 물리 법칙을, 제2권에는 유체(流體)의 운동에 대하여, 그리고 제3권에는 중력의 법칙을 기록했다.

 

이 책에서 뉴턴은 행성들은 중력에 의해 각자의 궤도를 따라 태양 둘레를 선회하고 있고, 달도 자기의 궤도가 있으며, 달의 중력 때문에 지구상에서 바닷물이 드나드는 조석(潮汐) 현상이 나타난다고 했다.그러면 물체는 왜 서로 끌어당길까? 위대한 뉴턴도 이 문제에 대한 설명은 할 수 없었다. 아인슈타인은 1915년에 중력의 법칙에 도전하는 유명한 ‘상대성 이론’을 발표했다(상대성 이론 참조).

 

뉴턴의 사과 이야기는 스스로 기록한 것이어서 진실이라 생각되고 있다. 중력의 법칙은 전력(電力)에 대한 쿨롱의 법칙과 닮았다. 뉴턴은 운동의 3가지 법칙과 빛의 성질에 대해서도 연구했다. 그의 업적은 이후 3세기 동안 과학계를 지배했다.  

 

 

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