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수학과 물리학을 아우른 위대한 천재 뉴턴
-미적분을 사용해 물리학 문제 해결
-만유인력의 법칙 확립
-행성들이 태양 주위를 타원형 궤도로 돌고 있다는 사실 입증

우리가 대자연의 실체를 막연하게나마 설명할 수 있게 된 데는 뉴턴의 공이 가장 크다. 뉴턴의 주요 저서들은 200년이 넘는 시간 동안 과학계에서 일어난 모든 논쟁의 발단이 되었다. 뉴턴은 고전 물리학의 뼈대를 세워 후대 물리학자들이 현대 과학으로 나아갈 발판을 마련해주었다.
뉴턴은 진공 상태에서의 먼 거리 상호작용이라는 개념을 도입했고, 현대 물리학의 필수불가결한 요소인 미적분학의 기초를 만들었으며, 만유인력의 법칙을 통해 세상에 대한 보편적 진리를 찾아냈다. 또한 백색광의 구성 요소와 조석 현상의 발생 원인, 무지개의 생성 원리를 밝혀내고, 행성의 움직임을 수학적으로 풀어낸 최초의 인물이다. 한때 연금술이라는 일종의 외도를 하기도 했지만, 그마저 ‘다른 원자나 화합물과 결합하는 경향’을 가진 대상을 새로운 시각으로 바라보는 데 기여해, 19세기에 등장한 ‘화학 친화도’ 이론의 기틀을 마련했다. 한마디로, 뉴턴은 빛과 열, 중력과 천문학을 모두 섭렵한 다방면의 천재였다.
이 책은 뉴턴의 생애와 업적을 따라가면서 오늘날 물리학의 굵직한 화두들을 살펴본다. 이 책을 읽다 보면 에너지부터 만유인력의 법칙까지 각각의 개념들을 이해하고, 빛의 신비를 경험하면서 어느새 우주 끝에 다다를 것이다. 그리고 이 모든 단계를 거치고 나면 뉴턴의 통찰력에 감탄할 것이다. 그 과정에서 만날 물리학 법칙들은 우리가 새로운 현상들을 맞닥뜨릴 때마다 마치 하나의 생명체처럼 잘 적응해 우주를 가장 완벽하고 정확하게 이해하도록 도와줄 것이다.

뉴턴의 가장 위대한 업적‘만유인력의 법칙’

뉴턴은 한 명의 천재가 수학이라는 언어를 통해 자연의 법칙을 이해하고 표현할 수 있음을 보여준 좋은 선례를 남겼다. 선인들의 업적을 토대로 중력의 법칙과 만유인력의 법칙(사과의 낙하에서부터 행성 운동까지 모두 적용되는)이라는 역작으로 미적분 계산법의 기반을 닦고, 백색광의 구성 요소를 파악했으며, 에너지와 힘의 개념을 적용해 광학 현상들을 풀어내기도 했다. 그는 일생을 바쳐 세상의 비밀을 파헤쳤고, 맥스웰에서 아인슈타인에 이르는 후학들을 위해 견고한 과학의 기틀을 마련했다.
만유인력의 법칙이 뉴턴이 이룩한 업적 중 가장 중요하다는 것은 그 누구도 부정하지 않을 것이다. 만유인력이란 ‘질량을 가진 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 존재한다’는 이론이다.
지구가 사과를 잡아당기는 힘은 지구 중심에서 사과까지 거리의 제곱에 반비례하고, 지구가 달을 잡아당기는 인력 또한 역제곱의 법을 따른다. 여기서 인력은 지구상에서나 태양계에서나 마찬가지 방법으로 우주에 존재하는 모든 것에 적용된다. 사실상 지구가 사과를 끌어당기는 만큼 사과도 지구를 끌어당긴다는 뜻이다.
m과 M이라는 질량을 각각 가지고, r만큼 서로 떨어져 있는 두 물체가 서로를 잡아끄는 힘은 다음과 같이 표현된다(G는 중력 상수).

사과를 땅에 떨어뜨리는 그 힘이 행성의 움직임을 관장하는 힘과 동일하다는 사실을 보여줌으로써, 뉴턴은 우주에 존재하는 네 가지 힘(중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력) 가운데 첫 번째를 발견했다. 인류는 뉴턴의 법칙을 통해 새로운 행성을 발견하고, 조석 현상과 같이 육지에서 관찰되는 자연 현상들의 원인을 파악할 수 있게 되었다. 그러나 그가 후대에 남긴 유물은 더 위대했다. 바로 은하 운동의 특이점을 발견하고 우주 물질의 90% 이상을 차지하는 보이지 않는 암흑 물질의 존재를 가설로 제시했다. 오늘날 과학자들이 제논, LZ, 판다엑스를 통해 암흑 물질을 검출하기 위해 바람직한 경쟁을 하고 있는 것도 모두 뉴턴의 덕분이다.

뉴턴의 세 가지 운동 법칙

1687년에 발표한 『자연철학의 수학적 원리』(일명 『프린피키아』)에서 뉴턴은 낙하하는 사과에서부터 행성의 운동까지 모든 역학적 현상을 지배하는 세 가지 운동 법칙을 소개한다.
운동 제1법칙(관성의 법칙)은 모든 물체는 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 정지해 있거나 직선상의 등속 운동을 유지한다. 운동 제2법칙(가속도의 법칙)은 관성 좌표계에서 힘을 받은 물체는 주어진 힘에 비례하고 질량에 반비례하는 가속도를 갖는다[힘(F) = 질량(m) × 가속도(a)]. 운동 제3법칙(작용-반작용의 법칙)은 한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면 그 물체 역시 반대 방향에서 똑같은 크기의 힘을 가한다.
뉴턴의 세 가지 운동 법칙만 있으면 지구상에서 관찰되는 거의 모든 움직임과 거기에 작용하는 힘에 대해 설명할 수 있다. 뉴턴은 이 세 가지 운동 법칙과 미적분법적 계산을 통해 갈릴레이의 경험론적 법칙을 공식화하는 데 성공했다. 그 덕분에 우리는 물체의 이동 경로를 계산하고, 발사체의 탄착점을 예상하며, 측정 도구도 없이 간단한 계산만으로 속도를 알 수 있게 되었다.

프롤로그: 물리학과 법칙ㆍ5

1장 에너지의 특성ㆍ9
2장 뉴턴의 운동 법칙ㆍ29
3장 빛이 있으라ㆍ69
4장 중력 이야기ㆍ107
5장 오늘날의 뉴턴ㆍ147

에필로그: 사과에서 별까지ㆍ181
연대표ㆍ185
주ㆍ193
참고문헌ㆍ197
찾아보기ㆍ199

행성의 운동과 물체의 낙하, 빛의 구성 요소, 조석 현상의 원인 등을 밝혀낸 뉴턴이 과학계의 거목으로 불리는 것에는 이견의 여지가 없을 것이다. 그가 이런 업적을 남길 수 있었던 것은 물리학의 기본 개념인 에너지와 운동량의 밀접한 관계를 파악하고 이를 영리하게 이용했기 때문이다. _1장 9쪽

양자 물리학이 등장한 20세기에는 결정론적 사고방식을 능가하고자 하는 새로운 희망의 움직임이 꿈틀대고 있었다. 그에 발맞춰 양자 물리학의 새로운 법칙들은 기본 입자 차원의 고전적 틀에서 완전히 벗어나 우리에게 새롭고 자유로운 공간을 선사했다. _2장 63쪽

뉴턴의 운동 법칙들이 지니는 간결함과 정확성은 물리학자들의 연구에 매우 중요한 의미를 가져왔다. 자연의 섭리에 가장 가까이 다가가 그것을 수학적으로 적용 가능한 법칙으로 승화시켰다는 점에서 말이다. 또 그가 필요한 수학적 도구들을 직접 고안해 자신이 만든 방정식의 해를 찾아냈다는 점도 눈여겨봐야 한다. 모든 움직임을 셀 수 없이 작은 움직임들로 세분화할 수 있게 도와준 미분이 있었기에 오늘날 물리학자들이 연구를 이어갈 수 있는 것이다. _2장 68쪽

뉴턴은 빛이 아주 작은 빛 알갱이들로 이루어진 다발, 즉 입자라고 생각했다. 그러나 여전히 빛의 파동성으로 설명해야 할 빛의 간섭 현상이나 회절 현상에 대한 만족스러운 답은 찾지 못했다. 1905년, 광전 효과에 대한 답을 찾던 아인슈타인은 빛의 진정한 성질을 파악하고, 빛의 파동설과 입자설을 융합하기에 이른다. 양자역학적 시각에서 본 빛은 파동 또는 입자가 아니라 파동이면서 입자였던 것이다. 이 같은 새로운 해석에 힘입어 빛은 시공간을 잇는 교량으로 인식되기 시작했다. 또 그 교량이 어찌나 견고했던지 이제는 시간마저 상대적인 개념으로 바라보게 되었다. _3장 70쪽

만유인력의 법칙이 뉴턴이 이룩한 업적 중 가장 중요하다는 것은 그 누구도 부정하지 않을 것이다. 사과를 땅에 떨어뜨리는 그 힘이 행성의 움직임을 관장하는 힘과 동일하다는 사실을 보여줌으로써, 뉴턴은 우주에 존재하는 네 가지 힘 가운데 첫 번째를 발견했다. _4장 107쪽

은하의 내외부를 막론하고 뉴턴의 법칙을 조금이라도 변형시켰을 때 뒤따를 수많은 이론과 출판물을 비롯한 여러 파급 효과를 충분히 알기에, 전 세계 과학자들은 지금 강한 책임감과 사명감을 갖고 연구 체계를 정립해나가고 있다. 이러한 과학자들의 시도가 쌓여 언젠가 이 신비로운 입자의 정체가 밝혀지겠지만, 여기서 한 가지 분명한 사실은 그 노력만큼은 노벨상을 받을 만한 가치가 있다는 것이다. _5장 156쪽

태양계에 존재하는 별들의 움직임은 뉴턴 역학에 등장하는 힘으로, 은하와 은하단의 역학은 암흑 물질의 중력으로, 은하단 사이에서 작용하는 척력은 암흑 에너지로 설명할 수 있게 되었다. 우리 우주의 에너지 가운데 67%가 이 우주 상수의 지배를 받는다는 것은 최근 25년간 이룩한 수많은 천문학적 발견 가운데 가장 눈에 띄는 사실이다. _5장 168쪽