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[065] 뉴턴, 우주의 비밀을 밝힌 사람
연금술 심취, 물리학은 취미삼아 연구?
경기도민뉴스 기사입력  2020/11/18 [08:54]

[김영수 잡학여행] = 아이작 뉴턴(Sir lsaac Newton 1642. 12.25~1727. 3.20)은 과학의 역사에서 근대에서 현대로 넘어가던 시점에 너무나 위대한 업적을 쌓아 ‘신이 인류를 위해 보낸 사람’이라는 칭호를 받을 정도였다. 17~18세기 영국의 물리학자, 수학자로 여기서는 뉴턴이 발견한 대표적인 과학적 성과가 어떤 의미를 지니는지를 주로 설명한다.

 

▲ 뉴턴을 묘사한 드로잉화. 무료이미지 픽사베이.     © 경기도민뉴스

 

1) 미분적분학, 현실 세계를 수학으로 분석
①미분적분학 이전의 수학은 복잡한 연산과 기하학의 해석 정도에 머물러, 변화하는 현상을 설명하기 힘들었다. 뉴턴의 미분적분학은 수학이 특히 ‘변화하는 어떤 현상을 해석하기 위한 도구’가 될 수 있다는 것을 보여준 것이다.
②고교과정 정도의 초급수준에서 미적분학을 설명하면 x축의 변화량에 대응하는 y축의 변화량 정도로 이해하면 될 것(수학에 영어가 나오면 그때부터 어려워진다는 학창시절의 공포심을 더 자극하고 싶지 않다)이다.
③x축의 변화량에 대응하는 y축의 변화량을 좀더 확장하면, 우리가 살고 있는 공간에 대한 해석도 수학적으로 가능해진다. 미적분학 덕분에 인류는 눈에 보이지 않는 중력 등을 계산으로 ‘볼 수 있게’ 됐다. 또 총알 미사일 축구공 야구공 우주선 등 움직이는 모든 것에 대해 속도와 시간의 변화에 따른 위치 등을 알 수 있게 됐다. 그 역산도 가능하며 심지어 태양계를 포함한 우주의 움직임까지도 ‘계산으로 볼 수’ 있다.
④참고로 역사적으로는 인류는 적분을 먼저 시도(주로 반듯하지 않는 토지의 넓이를 계산하기 위해)했고, 뉴턴(미분으로 시작해 적분까지 통합)과 라이프니츠(적분으로 시작해 미분까지 통합)의 공로로 18세기 서양은 폭발적인 과학의 발전을 이룩한다.

 

▲ 뉴턴의 운동방정식을 설명하는 도구중의 하나인 진자. 무료이미지 픽사베이.     © 경기도민뉴스

 

2) 운동법칙과 운동방정식
뉴턴 역학(力學)의 기본이 되는 세 가지 운동법칙은 일상의 공간에서 움직이는 모든 것을 설명할 수 있는 고전물리학의 기본법칙이다. 어떤 물체에 작용하는 힘 ‘F’는 물체의 질량 ‘m’과 질량 중심의 가속도 ‘a’를 곱한 것과 같은 값(F=ma)과 같다는 것을 발견한다.
가속도는 시간에 따른 속도의 변화율이므로 F=ma를 시간에 따라서 적분하면 v=gt가 된다. 속도는 또 시간에 따른 위치의 변화율이므로, 속도를 적분하면 S=1/2gt^2이 된다.

①관성의 법칙은 정지해 있거나 등속직선운동을 하는 물체는 외부의 힘에 의한 영향을 받지 않는 한 그 상태를 유지한다. 일상적으로는 달리던 버스가 급정거를 하면 몸이 앞으로 쓰러지려고 하는 것이 대표적이다.
②가속도의 법칙은 움직이는 물체의 운동량의 시간 변화율의 크기와 방향은 그 물체에 작용하는 힘의 방향과 크기가 같다. 구체적으로는 같은 무게, 부피, 모양일 때 높은 곳일수록 땅에 떨어질 때의 충격이 큰 것은 가속도 때문이다.
2차 세계대전 당시 영국 주도로 개발한 블록버스터폭탄도 이 가속도를 최대한 이용한 것이다. 물체에 작용하는 외부의 힘을 ‘F’, 물체의 질량을 ‘m’, 속도를 ‘v’라고 할 때 수식 F=d/dt(mv)가 성립한다.
③작용 반작용의 법칙은 한 물체가 다른 물체에 힘을 작용하면 힘을 받은 물체는 그 힘과 같은 크기로 반대방향으로 힘을 준 물체에 힘을 작용한다. 대표적인 것이 미사일과 로켓이다. 기본원리는 초등학생들이 주로 고무풍선이나 물로켓 등으로 익히곤 한다.

 

▲ 반사 망원경으로 굴절 없이 먼 거리의 물체를 선명하게 관찰 할 수 있으며, 제작비용도 저렴하고 제작방법도 간단했다. 무료이미지 픽사베이.     © 경기도민뉴스

 

3) 백색광은 여러 가지 색이 합쳐진 것
빛은 입자인가 아닌가는 과학계의 오랜 골칫거리였다. 빛이 입자(알갱이)라면, 무게가 있을 것이고, 그렇다면 통에 담을 수도 있을 것이다. 빛이 입자가 아니라면, 그렇다면 도대체 무엇인가?
①뉴턴은 빛은 작은 입자들이 공간을 이동하면서 생기는 현상으로 생각했다. 프리즘 분해(1665~1666 관련실험을 수행)를 통해 뉴턴은 빛은 단색광이 아니라 혼합광이라는 것을 밝혀냈다. 또 각각의 광선이 일정한 각도로 굴절되는 성질 때문에 무지개와 같은 현상이 생긴다고 밝혔다.
②이 발견으로 렌즈의 색수차(色收差)를 제거하는 방법이 가능해졌고, 반사망원경을 최초로 발명했다(빛의 입자설, 망원경, 1671년).
반사망원경의 발명으로 아이작 뉴턴의 이름이 널리 알려졌고 왕립학회 회원으로 선출된다. 뉴턴은 빛과 색깔에 관한 논문을 학회에 제출(1672)해 좋은 평가를 받았다.
③이후 뉴턴은 빛에 관한 논문을 더 발표해 광학에서 많은 발전을 이끌어냈다. 당시 대항해 시대와 천문학의 발달 등으로 성능 좋은 망원경이 필요했고, 뉴턴의 광학이론은 이를 가능하게 했다.

 

▲ 인류는 뉴턴을 통해 비로소 우주자연의 법칙을 이해할 수 있게 됐다. 무료이미지 픽사베이.     © 경기도민뉴스

 

4) 만유인력, 모든 것은 서로 질량의 영향을 받는다
①궤도역학의 문제로 곤란을 겪던 천문학자 에드먼드 핼리(Edmond Halley, 핼리혜성을 발견한 그 사람이다)가 아이작 뉴턴을 방문(1684년 8월)했다. 핼리의 질문에 뉴턴은 “20년 전에 계산해 봤더니 원이 아니고 타원이던데?”라는 답변을 내놓는다.
②핼리는 왜 발표하지 않았는지 묻자, 뉴턴을 극도로 싫어한 로버트 훅과 왕립협회에서 싸운 후, 묵혀두고 있었다고 답변한다. 결국 핼리의 권유로 뉴턴은 자신의 연구성과를 정리한 <프린키피아Principia, 자연 철학의 수학적 원리>를 발표(1684)한다.
③뉴턴의 프린키피아는 갈릴레오 갈릴레이, 타코 브라헤, 요하네스 케플러가 관측하고 정립한 천문학의 원리를 수학적으로 정립해 태양 주위를 도는 행성의 운동, 지구나 목성 주위를 도는 위성(달)의 운동도 수학적으로 설명할 수 있게 됐다.
④뉴턴은 태양계의 모든 천체운동을 지배하는 단일한 힘을 상정하고 그것을 중력(gravitas 라틴어로 ‘무거움’이라는 뜻)이라고 불렀다. 이 중력(또는 만유인력)은 혜성의 운동이나 조석현상의 설명에도 성공적으로 적용할 수 있고, 우주의 모든 물질입자들 사이에 보편적으로 존재한다고 믿었다.
이때 일련의 계산과정을 출판한 것이 바로 그 유명한 <프린키피아>다.

 

 

5) 프린키피아, 산업계의 질문에 해법 제시
①뉴턴의 시대는 봉건제 붕괴, 상업자본과 제조업의 발달로 해상수송이 급격히 늘어나던 시기였다. 문제는 화물의 적재량에 맞는 적당한 함선의 크기를 어느 정도로 할 것인가? 광업발달에 따른 갱도(坑道)의 크기와 환기의 주기는? 먼 바다로 나간 배가 안전하게 목적지로 항해할 수 있는 최단 코스는? 그렇게 해서 운반한 화물을 보관할 창고의 크기와 자재는? 또 대포의 크기에 알맞은 포탄에 들어갈 화약은 얼마나 필요한지? 등 산업계 전반에 해결해야 할 문제들이 많았다.
②뉴턴의 <프린키피아>는 이같은 산업계의 모든 문제를 혼자만의 연구로 해결할 수 있는 실마리를 제공해준 것이다.

 

▲ 주식시장은 뉴턴에게 큰 상처를 남겼다. 무료이미지 픽사베이.     © 경기도민뉴스

 

6) 뉴턴의 흑역사, 그러나 위대한 천재
①뉴턴은 물리학보다 연금술, 성경 연구에 더 많은 시간을 연구했다. 뉴턴이 남긴 기록을 단어 수로 보면 과학과 수학에 관해서는 100만 단어, 연금술에 관해서는 55만 단어, 신학과 종교에 관해서는 140만 단어를 사용했다.
②신학에서의 업적은 삼위일체의 근거인 요한 1서5장7절(흔히들 요한의 콤마라고 한다)에 의도적으로 후대에 첨가한 구절(즉, 조작)이라는 것을 증명했지만, 발표는 하지 않는다(갈릴레이의 종교재판 영향).
③명예혁명 직후(1688) 대학 대표로 국회의원을 지낸 적도 있는데, 투표에는 빠짐없이 참가했지만 속기록에 남은 것은 딱 한마디 “거, 바람 들어오니 창문 좀 닫아주시오”였다.
④뉴턴의 업적중 잘 알려지지 않은 일화중의 하나는 영국 조폐국장(1699~1724)을 맡은 것이다. 뉴턴과 친분이 있던 재무대신 찰스 몬태규가 월급 많이 주는 대신 별로 할 일없는 명목상의 자리로 조폐국 감사 자리를 제안했다. 의외로 뉴턴은 엄청난 열의를 보여(1696), 특히 동전의 테두리를 깎아 팔아먹거나 동전을 하나 더 만드는 행위를 방지하기 위해 동전에 테두리와 톱니를 만들어 넣어 위조를 원천적으로 막았다.
⑤당시 유명했던 화폐 위조범 윌리엄 챌로너(William Chaloner, 뉴턴에게 잡혀 1698년 3월22일 교수형)를 잡기 위해 정보원을 고용하고, 정보원과 만나기 위해 변장을 하고 술집에서 접선을 하는 등 열성을 보여 체포하고 법정 공방에서 압승을 거둔다.
⑥역사상 최초로 발생한 주식사기 또는 버블경제의 대명사 South Sea에 자신의 전재산(80~90%로 2020년 가치로 최소 50억원 이상으로 추정)을 말아먹는다.
“천체의 움직임은 알겠어도 인간의 광기는 도저히 모르겠다”는 말은  뉴턴이 전 재산을 주식 투자로 날려버리며 남긴 말로 지금도 증권가에서는 일종의 경구로 여긴다.
⑦이토록 대단한 천재가 평생 동정을 지킨 여성혐오자(동성애자는 아니었다)였던 것도 의외다.
이런저런 흑역사가 있지만, 뉴턴에 대한 평가는 “대자연과 자연의 법칙은 어둠에 감싸여 있었도다. 주께서 ‘뉴턴이 있으라!’ 하시매 모든 것이 밝아졌도다(Nature and nature’s laws lay hid in night; God said ‘Let Newton be’ and all was light.)라는 알렉산더 포프의 아이작 뉴턴의 묘비명으로 모든 것이 설명가능하다.

기사입력: 2020/11/18 [08:54]  최종편집: ⓒ 경기도민뉴스
 
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