03. 케플러는 행성의 타원 운동을 어떻게 알았을까?

<네모 속의 물리학>

궤도와 각운동량

행성들의 전진 운동과 태양으로부터의 중력에 의한 인력은 서로 완벽한 균형을 이루고 있다.

운동의 물리적 특성은 지구뿐 아니라 우주 어디에서나 적용된다. 이는 태양 주위의 궤도를 도는 행성들에 적용되며, 행성들의 주위를 도는 위성들에도 적용된다.

궤도는 한 물체가 다른 물체의 주위를 도는 행로다. 1609년 요하네스 케플러(Johannes Kepler)는 태양 주위를 도는 행성들을 설명하는 세 개의 법칙을 만들었는데, 여기서는 그 첫 번째 법칙 곧 모든 행성의 궤도는 타원이라는 데 주목해보자. 그 전까지만 해도 이 사실은 확실하지 않았다. 왜냐하면 그 타원들이 거의 원에 가까웠기 때문이다. 하지만 케플러는 천문학자 티코 브라헤(Tycho Brahe)의 정밀한 관측에 입각해 이 법칙을 수립했다.

행성들이 태양 주위를 계속 돌게 하는 힘은 중력이다. 이 물체들 간 인력은 그들의 질량과 그들 사이의 거리로 결정된다. 중력이 없다면 행성은 전진 운동만을 지속할 것이다. 하지만 태양의 질량은 매우 커서 행성이 궤도를 유지할 수 있을 만큼 잡아당긴다.

곡선의 행로를 따라 움직이는 물체들은 각운동량을 갖는다. 각운동량은 물체의 질량, 그것의 각속도(원운동처럼 물체의 운동을 하나의 기준점에서 관측할 때 기준점에 대하여 물체가 회전하는 속도를 측정한 물리량)와 회전의 중심으로부터의 거리다. 이는 피겨스케이팅 선수가 팔을 움츠렸을 때 회전이 빨라지는 이유를 설명해준다. 즉 지나가는 거리는 감소하는 반면, 각운동량을 똑같이 유지하고자 각속도는 증가한다.


케플러 제1법칙

케플러 법칙은 어떻게 행성들이 태양 주위를 타원의 경로로 도는지 설명해준다. 이 경로들의 원인이 되는 보편적인 힘이 중력이라는 것을 밝혀낸 사람은 아이작 뉴턴이며, 이 법칙은 태양이 태양계의 중심이라는 증거의 한 조각이 되었다.