제2권 · Chapter 2 · 3. 회전 운동

3-4. 중력과 원운동: 케플러의 법칙과 행성 운동

사과와 달은 같은 이유로 떨어진다

1666년, 스물세 살의 아이작 뉴턴은 전염병(페스트)을 피해 시골 고향에 머물고 있었다. 전설에 따르면, 이 시기에 뉴턴은 사과가 나무에서 떨어지는 것을 보며 놀라운 질문을 던졌다:

"사과가 땅으로 떨어지는 힘과, 달을 지구 주위에 붙잡아두는 힘이 같은 힘이 아닐까?"

이 질문은 단순해 보이지만, 당시로서는 혁명적이었다. 하늘의 운동(천체)과 땅의 운동(일상 물체)은 완전히 다른 법칙이 지배한다고 수천 년 동안 믿어왔기 때문이다. 아리스토텔레스 이래로 하늘은 "완벽한 원운동"의 세계이고, 땅은 "직선 운동과 정지"의 세계라고 생각했다.

뉴턴의 대담한 통찰은 이것이었다: 하늘과 땅을 지배하는 법칙은 하나다. 사과를 땅으로 잡아당기는 중력이, 그대로 달까지 뻗어서 달을 지구 주위에 붙잡아두고 있다. 그리고 같은 중력이 지구를 태양 주위에 붙잡아두고, 목성을 태양 주위에 붙잡아두고, 은하 속의 별들을 한데 묶어두고 있다.

이 하나의 힘 — 만유인력(universal gravitation) — 으로 뉴턴은 행성 운동의 법칙을 모두 설명해냈다. 그것도 약 60년 전 요하네스 케플러가 순전히 관측 데이터에서 경험적으로 발견한 세 가지 법칙을 수학적으로 유도해냈다.

관측에서 출발한 케플러의 법칙이, 뉴턴의 중력 이론에서 논리적 필연으로 튀어나온 것이다. 이것은 물리학 역사상 가장 극적인 승리 중 하나이다.

핵심 질문: "중력은 정확히 어떤 법칙을 따르며, 그 법칙 하나로 행성의 궤도, 속도, 공전 주기를 모두 설명할 수 있는가?"