뉴턴물리학에 의한 세계
뉴턴 물리학
뉴턴이 1687년에 출판한 프린키피아(Principia)는 인류 역사상 가장 중요한 저작 중의 하나이다. 저작은 아리스토텔레스 물리학을 대체하여 새로운 물리학의 시작을 알렸다. 갈릴레이의 지상계 운동과 케플러의 천상계 운동을 모두 하나의 법칙으로 통일하여 설명하는 체계는 자연과학의 새 지평을 연 것을 넘어섰다. 과학기술에 근거한 인류 문명이 시작되는 시발점을 알리는 이정표로서 인류사를 뉴턴 이전과 이후로 나눌 수 있을 만큼 대단한 성취였다. 물리학의 기본 원리를 포함한 운동에 관한 몇 개의 법칙을 기반으로 지상과 천상의 모든 것들의 운동이 설명된다.
프린키피아는 저술의 형태로 유클리드의 기하학 원론의 형식을 따랐다. 원론이 다섯 개의 공리로 시작하는 것처럼, 프린키피아는 몇 개의 정리로 시작한다. 기하학이 점, 선 등이 기본이라면 물리학은 질량, 운동량, 관성 질량, 힘, 구심 가속도 등의 물리량이 기본이다. 모두 8개로 이루어진 정리는 제시된 물리량을 정의한다. 물리량이 상호 간에 연관되어 정리는 세 가지 법칙으로 요약될 수 있다. 제1 법칙은 관성의 법칙으로 외부의 힘이 작용하지 않으면 물체는 정지해 있거나 움직이고 있는 물체는 영원히 그 속력을 유지한다. 관성은 물체가 자신의 성질을 유지하려는 경향을 뜻한다. 법칙은 속도와 가속도의 개념을 함의하고 있으므로 속도만을 상정한 아리스토텔레스의 운동학은 수정되었다. 제2 법칙은 제1 법칙의 수학적 표현으로 물체에 작용하는 힘(F)은 물체의 질량(m)과 가속도(a)의 곱으로 표현된다. 그러므로 물체에 힘을 가하면 가속도가 생겨나 물체의 속도가 변하게 된다. 다른 말로 물체에 힘이 가해지지 않으면 그 물체는 영원히 정지하거나 자신이 원래 가지고 있는 속도를 유지한다. 법칙은 특정 시간에 어떠한 입자에 작용하는 전체 힘과 그 시간에의 가속도, 질량 사이에 불변적인 수학적 관계를 의미한다. 제3 법칙은 모든 작용에 반드시 반작용이 있고 반작용은 작용과 크기가 같고 방향이 반대이다. 물체의 운동에 관한 뉴턴의 세 법칙은 보편적이므로 지상과 천상계 모두에 적용될 수 있다.
뉴턴은 힘에 관한 일반 법칙과 함께 중력의 실체를 밝혀내었다. 두 물체 사이의 힘은 두 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 중력 법칙을 세웠다. 법칙은 보편적으로 모든 물체에 적용되므로 만유인력이라 부른다. 만유인력을 뉴턴의 제3 법칙에 적용하여 방정식을 풀면 중력에 의한 물체의 운동을 알 수 있다. 방정식의 답은 행성의 궤도가 타원임을 알려 주며 또한 케플러의 제3 법칙이 자연스럽게 유도된다.
힘과 운동에 대한 일반적 관계가 얻어지고 만유인력의 법칙으로 질량을 가진 물체들이 힘이 어떻게 작용하는지 알려지므로 지상과 천체에 관한 운동을 바르게 설명하는 통일된 일련의 법칙이 만들어졌다. 브라헤가 관측한 데이터를 케플러가 분석하여 얻은 두 세대에 걸쳐 완성된 케플러의 법칙은 뉴턴 법칙에 준거한 방정식을 풀면 한 시간 내에 유도할 수 있다. 뉴턴 자신도 해법을 경이롭게 바라보았을 것이다.
만유인력 법칙에 의하면 힘이 거리와 물체의 질량에 의존한다. 물체가 가진 온갖 종류의 특성을 모두 제외하고 오직 질량에 의존하는 대담한 가정은 어디서 도출되었을까? 뉴턴이 가장 어려워했던 부분은 물체의 형상이나 크기를 무시하고 오직 질량 값만 힘에 의존한다고 주장할 수 있는가였다. 뉴턴이 이러한 가정을 하게 된 실험값이 존재한다. 태양계에서의 행성의 운동과 지상에서 물체의 포사체 운동 등의 실험값이 질량에만 의존하는 실험적 결과가 있다. 그러나 이것이 중력에 관한 모든 자연현상에 적용되는 것으로 일반화될 수 있는지는 전혀 별개의 문제이다. 뉴턴은 지상에서 물체 사이의 인력과 우주의 모든 별 사이의 인력이 같은 힘의 형태를 띠고 있어 관련된 자연현상을 모두 설명할 수 있다고 대담한 가설을 내세우고 보편적 법칙이라 하였다. 법칙이 케플러 법칙을 설명할 수 있을 뿐만이 아니라 그간의 지구와 천체에서 일어나는 물리적 의문점을 모두 명쾌하게 풀어 주었음은 물론이다. 아리스토텔레스의 운동학으로는 그저 바라만 보고 있을 만한 물리적 사실들이 실은 만유인력의 법칙 아래에 포섭되어 있었다.
지구가 구형일 수밖에 없는 이유, 구형이면서 왜 적도에서는 약간 부풀어 있는지를 설명한다. 구형은 안으로 당기는 중력 때문이고 지구의 회전으로 인한 원심력에 기인하여 적도 쪽이 약간 부풀어 있다. 달의 운동을 정확히 예측해 내며 대양의 조수 간만 효과나 근일점이 이동하는 것, 또한 설명하고 있다. 모든 행성의 경로가 방정식의 계산을 통해서 정확히 알려진다. 가장 돋보이는 것은 핼리 혜성이 75년마다 반복해서 나타나고 지구 가까이 출현하는 날짜를 계산으로 맞춘 것이다. 후대의 일이지만 당시에 태양에서 가장 먼 행성이라고 여겨졌던 천왕성의 운동이 계산과 전혀 맞지 않았다. 만유인력의 법칙이 틀리거나 천왕성 바깥쪽에 우리가 아직 모르는 새로운 행성이 있다면 행성의 중력으로 천왕성의 궤도가 바뀔 수가 있다. 행성이 있다는 가정하에 얼마나 멀리 있으면 측정치를 예측할 수 있는지를 계산하여 새로운 행성(해왕성)이 발견되었다. 이 사건은 뉴턴 물리학의 정당성을 강력히 뒷받침해 주는 이정표가 되었다.
뉴턴 이후로 더는 아리스토텔레스의 물리학을 거론하지 않게 되었다. 네 가지 법칙(원인)에 준거한 고대 과학은 뉴턴 물리학의 등장으로 네 법칙으로 설명될 필요가 없어졌다. 새로운 물리학에 법칙으로 남은 것은 작용의 원인뿐이다. 뉴턴의 법칙 자체가 작용의 원인만을 뜻한다. 그러므로 아리스토텔레스가 네 법칙을 동원하여 물체가 왜 운동하는 이유를 따졌다면 뉴턴은 어떨게 운동하는 지를 다룬다. 물론 이는 갈릴레이가 이미 부분적으로 시연한 바가 있다. 뉴턴 물리학의 보편성과 필연성은 자연을 정확히 예측하게 했고, 모든 분야에 뉴턴의 방법을 적용해야 한다는 움직임이 일게 했다. 과학에서의 성공은 사회과학에서도 무엇인가 터져 나올 분위기를 만들게 하였다. 모두 뉴턴의 성취에 대한 반향이었다. 물론 반발도 함께 전개되었다. 가장 확실한 사실은 아리스토텔레스 체계가 더는 존속하지 못한다는 것이었다.
뉴턴의 업적은 단순히 자연 과학에만 국한되지 않고, 사회과학에도 심오한 영향을 미쳤다. 뉴턴의 물리학적 원리와 방법론은 인류의 사고 방식을 변화시키고 사회과학의 발전에도 커다란 영향을 미쳤기 떄문이다. 그의 물리학은 예측 가능성과 논리적 추론을 강조하여 물리적 세계의 규칙을 이해하는 데 적용할 수 있었는데, 이는 사회과학의 분야에서도 모범이 되었다.
뉴턴의 세계관은 인간 사회의 질서와 구조에 대한 이해에도 영감을 주었다. 그의 물리학적 법칙은 예측 가능성과 안정성을 강조하여 사회 현상의 이해와 예측에도 활용되었다. 사회과학자들은 뉴턴의 체계적이고 이론적인 방법을 사회현상에 적용하고, 사회적 상호작용, 권력구조, 그리고 사회 질서의 이해에 활용하려고 노력하였다. 이에 따라 뉴턴의 물리학은 사회의 구성과 움직임에 대한 새로운 사고방식을 제시하고, 과학적 방법론의 중요성을 강조하여 사회과학의 발전에 기반을 마련하였다. 뉴턴의 업적은 사회과학의 발전과 현대 사회의 이해에 큰 기여를 하였으며, 그의 원리와 방법론은 오늘날까지도 사회과학의 기반을 이루고 있다.
뉴턴의 업적은 단순히 자연 과학에만 국한되지 않고, 사회과학에도 심오한 영향을 미쳤다. 뉴턴의 물리학적 원리와 방법론은 인류의 사고 방식을 변화시키고 사회과학의 발전에도 커다란 영향을 미쳤기 떄문이다. 그의 물리학은 예측 가능성과 논리적 추론을 강조하여 물리적 세계의 규칙을 이해하는 데 적용할 수 있었는데, 이는 사회과학의 분야에서도 모범이 되었다.
뉴턴의 세계관은 인간 사회의 질서와 구조에 대한 이해에도 영감을 주었다. 그의 물리학적 법칙은 예측 가능성과 안정성을 강조하여 사회 현상의 이해와 예측에도 활용되었다. 사회과학자들은 뉴턴의 체계적이고 이론적인 방법을 사회현상에 적용하고, 사회적 상호작용, 권력구조, 그리고 사회 질서의 이해에 활용하려고 노력하였다. 이에 따라 뉴턴의 물리학은 사회의 구성과 움직임에 대한 새로운 사고방식을 제시하고, 과학적 방법론의 중요성을 강조하여 사회과학의 발전에 기반을 마련하였다. 뉴턴의 업적은 사회과학의 발전과 현대 사회의 이해에 큰 기여를 하였으며, 그의 원리와 방법론은 오늘날까지도 사회과학의 기반을 이루고 있다.
