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by 지나온 시간들 Dec 31. 2021

뉴턴은 어떻게 어려운 문제를 해결했을까?

과학은 자연의 원리를 발견하는 데 가장 커다란 의미가 있다. 자연의 원리는 보편적일수록 더욱 가치가 크다. 보편적이란 거의 모든 경우, 예를 들어 물리학의 경우에는 우주 전체에 존재하는 모든 물체에 적용되는 것이라 할 수 있다. 보편적 원리가 되기 위해서는 단순해야 할 필요가 있다. 어떠한 원리가 복잡하다는 것은 그 예외가 존재할 가능성이 크기 때문이다.

가장 대표적인 이러한 보편 원리를 예로 든다면 바로 뉴턴의 동 법칙과 만유인력 법칙이다. 이 두 가지 법칙으로 우주 공간에 존재하는 모든 물체의 운동을 풀어낼 수 있다. 이 보편 법칙의 발견은 인류의 역사의 흐름마저 바꾸어 놓았다. 바로 중세 시대가 붕괴되고 근대 시대로의 문을 열게 된 것이다.

또 다른 예를 들자면 열역학 1 법칙이다. 간단히 수식으로 표현해 보면 Q=U+W가 되는데 정말 간단한 방정식이지만 이 식 안에 열역학의 가장 근본적인 원리가 포함되어 있다. 이 원리로 인해 산업 혁명은 급격히 발전되기에 이르렀다.

또 다른 예는 바로 패러데이 법칙이다. 패러데이는 초등 교육도 받지 않아 수학은 거의 문외한이었다. 그는 주로 과학을 그림으로 이해했는데 그러한 그림을 통해 그가 생각해 낸 개념이 ‘장(Field)’이라는 것이다. 전기장과 자기장이 바로 그의 아이디어에 의한 것이었고, 패러데이는 이러한 장의 개념을 바탕으로 시간에 따라 변하는 자기장은 전류를 발생시킨다는 패러데이 법칙을 발견하게 된다. 이 패러데이 법칙은 인류에게 전기 시대의 문을 열게 해 준 가장 보편적인 원리에 해당된다.

이러한 보편적인 원리는 언뜻 보면 간단한 것 같지만 그것을 처음으로 발견해 낸다는 것은 정말 어려운 일에 해당한다. 뉴턴 이후 과학자들은 뉴턴의 방법을 적용하여 이러한 원리들을 찾는 데 많은 도움을 얻게 되었다.

뉴턴의 가장 위대한 업적이라는 운동의 법칙과 만유인력 법칙은 1665~1666년 2년에 걸쳐 발견해 낼 수 있었다. 그의 나이 23~24세 때였다. 뉴턴은 어떻게 이러한 어려운 문제들을 어떻게 해결했을까?

1642년에 태어난 뉴턴은 1661년 케임브리지의 트리니티 칼리지의 생활을 시작했다. 케임브리지 대학 시절 뉴턴은 닥치는 대로 책을 읽었으며 깊은 생각에 잠겨 학교 캠퍼스를 산책하곤 했다. 그는 어떤 아이디에 관심을 갖게 되면 믿을 수 없을 정도로 정신을 그곳에 쏟았는데 자신에게 흥미롭고 어려운 문제를 만나는 경우 그것을 해결할 때까지 종종 먹는 것도 잊고 잠자는 것도 잊고 지냈다.

케임브리지의 경제학자였던 존 케인즈는 뉴턴에 대해 다음과 같이 말한다.

“그의 특별한 재능은 순수하게 추상적인 문제를 완전히 통찰할 때까지 머릿속에서 계속해서 생각하는 힘이었다. 순수 과학이나 철학에 관한 사고를 해본 사람이라면 머릿속에 한 문제를 생각해서 그것을 통찰하기 위해 온 집중력을 발휘하는 것이 얼마나 어려운지를 알고 있으며, 또한 그 문제가 얼마나 빨리 희미해지고 없어져서 결국 찾으려고 하는 것이 텅 비어 있게 되는지를 안다. 그렇지만 뉴턴은 어떤 문제의 비밀이 풀릴 때까지 그 문제를 몇 시간, 며칠, 몇 주일 동안이나 생각할 수 있는 능력이 있었다고 나는 믿는다.”

실제로 뉴턴은 어떠한 문제를 접하고 나면 희미한 촛불 하나에 의지한 채 밤을 새우기가 일쑤였다. 뉴턴은 시간을 아끼기 위해 주로 자신의 방에서 식사를 했는데 집안일을 도와주는 집사가 항시 뉴턴의 식사를 준비했다. 식사 시간에 맞추어 뉴턴의 방으로 식사를 가져다주어도 뉴턴은 일에 집중하느라 식사도 제대로 하지 않았고, 다음 식사 시간에 집사가 뉴턴의 방에 다시 식사를 가지고 와 보면 이전 식사에 손도 대지 않은 채 그대로 있는 경우가 허다했다.

그러한 몰입과 집중력으로 뉴턴은 인류 역사상 가장 위대한 업적을 남겼다. 뉴턴의 회고에 의하면 “같은 해에 나는 중력이 달의 궤도까지 미칠 것이라는 생각을 하게 되었다. 그리고 행성들이 궤도를 유지하도록 하는 힘은 이 행성들의 회전 중심으로부터 거리의 제곱에 반비례한다는 사실을 추론해냈다. 그리고 이런 추론에 따라 달이 궤도를 이탈하지 않도록 하는 힘과 지구의 표면에서의 중력을 비교하였는데, 이들 두 힘이 거의 일치한다는 답을 얻었다.” 이렇게 만유인력의 법칙은 발견되었던 것이다.

뉴턴은 자신이 발견한 이론을 <자연 철학의 수학적 원리>라는 책으로 출판을 한다. 이 책을 읽어 본 사람은 대부분 뉴턴을 초인으로 평가하게 된다. 당대 프랑스의 최고 수학자였던 라플라스는 “우주의 이치를 두 번 다시 정립할 필요가 없도록 만든 뉴턴은 지금까지의 천재 중에서 가장 위대한 천재였으며 최고의 행운아였다”라고 평가한다.

뉴턴이 어려운 문제를 해결할 수 있었던 것은 자신이 정말 좋아했던 문제, 흥미를 끌었던 문제를 가지고 모든 것을 잊은 채 몰입을 하여 그 문제가 해결될 때까지 다른 어떤 것도 하지 않고 끝까지 집중했던 것에 있지 않을까 싶다.

어떤 문제를 해결될 때까지 노력을 한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 그러한 노력을 위해서는 물론 그 문제를 자신이 좋아해야 하거나 어떻게든 그것을 해결할 굳은 의지가 필요할 수밖에 없다.

토마스 에디슨의 경우도 그의 연구가 2,999번 시도를 한 끝에 성공하지 못하면 다시 3,000번째의 도전을 했고 그 3,000번째의 도전이 성공을 이루어냈다고 한다. 즉 2,999번까지 한 사람과 3,000번까지 한 사람은 분명히 차이가 있었던 것이다.

자신이 좋아하는 것, 그것에 몰입하는 것, 그리고 끝까지 해결하려고 붙잡고 있었던 것, 그러한 것으로 인해 뉴턴은 그 어려운 문제를 해결할 수 있었던 것이다.

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