“중력이 무엇입니까?” “아무것도 아니에요… 전부입니다.”
‘왜 떨어지는가?’ 이 단순한 질문의 가치를 알아가는 기나긴 여정
《그래비티 익스프레스》는 중력에 대해서 궁금해했고, 그 원리를 풀기 위해 노력한 인간의 역사를 다룬 이야기다. 많은 사람들이 생물을 전공한 저자에게 중력이라는 물리 분야의 주제를 택한 이유를 물었다. 저자의 답은 “재미있을 것 같아서.” 중력의 역사는 저자가 개인적으로 과학 공부를 하면서 가장 짜릿함을 느낀 이야기였으며, 스토리로 만들기에도 더할 나위 없이 좋았기 때문이다. ‘왜 떨어지는가?’라는 단순한 질문은 사실 단순하지 않다. 현재 우리가 알고 있는 우주의 모습은 인간이 설명한 중력에 대한 지식을 바탕으로 그려졌기 때문이다. 우주에서의 우리 위치와 운명을 짐작하게 하는 이 질문에는 필연적으로 ‘사람’의 모습이 담겨 있다. 수많은 사람이 써내려간 중력 이야기에는 다양한 실패와 좌절이 있는가 하면 승리와 환희도 있다. 심지어 반전에 반전을 거듭한다. 잡힐 듯 잡히지 않고 애간장을 녹이는 절절함이 있다. 그 안의 주인공들은 괴팍하거나 몽상가이기도 하고, 지나치게 소심하기도 하며, 예상 외로 바보 같은 구석도 있다. 이 책은 최종적인 결론만 간략히 알려주는 중고등학교 과학책과는 달리, 이 많은 사람들의 실패의 역사를 비중 있게 다루어 그들이 느낀 감정을 공유할 수 있게 한다.
아낙시만드로스에서 아인슈타인까지, 28명의 주역을 비롯해
수많은 인물들과 함께하는 2,500년의 아찔하고도 매혹적인 여정
고대부터 현대에 이르기까지 사람들은 중력을 감각적으로 어떻게 인식했을까? 중력은 아래로 떨어지는 현상이기도 했고, 중심 방향으로 잡아당겨지는 현상이기도 했으며, 물질끼리 끌어당기는 현상 또는 반대로 밀어내는 현상이기도 했다. 시대별로 이토록 중력을 다르게 바라보았던 인류가 중력을 이해하기 위해 어떤 노력을 해왔는지, 그 2,500년의 여정을 따라가보자.
1. 적응기 - 왜 떨어질까? 하늘을 올려다보던 인류, 떨어짐을 연구하기 시작하다
수십억 년 동안 지구의 생명체는 자신을 끌어당기고 짓누르는 무엇인가와 싸워야 했다. 인간은 그 무언가와 싸우는 데서 한 걸음 더 나아가, 무게와 떨어지는 원리에 대해 생각하기 시작했다. 더 놀라운 점은 인간이 우주의 모양을 상상하거나 우주 속에서 자신의 위치를 추측하는 데 무게, 낙하와 같은 것이 가장 근본적인 생각의 출발점이라는 사실을 깨달았다는 것이다. 이렇게 중력을 둘러싼 인류의 기나긴 여정이 시작되었다.
2. 떨어질 곳을 잃어버리다 - 지구가 움직인다고 생각한 아리스타르코스
아낙시만드로스는 ‘게으름쟁이’인 신이 자동 기계처럼 돌아가는 세상을 만들었다고 생각했다. 그 기계 설계도의 언어는 ‘숫자’다. 수를 알게 된 인간은 세계의 크기와 천체의 구조를 측정해내기에 이른다. 지구, 달, 태양은 상상 이상으로 거대했으며 광활한 우주공간에 둥실 떠 있다. 그런데 이 생각을 혼란스럽게 만드는 현상이 하나 있었으니, 지상의 모든 물체는 무게감을 가지고 아래로 떨어진다는 사실이다. 어찌하여 구형의 지구 위에서 우리는 아래로 굴러떨어지지 않으며, 지구 자체는 어떻게 떠 있으며, 왜 달과 태양은 아래로 떨어지지 않는가? 지구가 움직인다고 생각한 아리스타르코스와 낙하 현상으로 반박하는 아리스토텔레스의 이야기가 펼쳐진다.
3. 자기 위치로 떨어진다 - 질서 정연한 우주를 찾아 떠난 아리스토텔레스
구형의 지구와 천체들은 광활한 우주 공간에 떠 있고, 해와 달은 우아하게 원을 그린다. 반면 지상에서는 모든 물체가 지구 아래로 떨어진다, 아니 지구 중심 방향으로 향한다. 어떤 논리로 이런 현상이 벌어지는 것일까? 문제를 어렵게 하는 주범은 물체가 낙하하는 자명한 현상이었다. 이때 그리스의 걸출한 학자 아리스토텔레스는 문제를 풀어내는데, 낙하의 이유를 물질의 근본원소에서 찾았고, 지구가 우주의 중심이라고 보았다.
4. 그것이 아니오 - 뷔리당의 임페투스와 코페르니쿠스의 지동설
시간이 흐르면서 논리정연한 아리스토텔레스의 우주관에 사람들은 이의를 제기하기 시작했다. 실제 낙하 현상과 오랫동안 관측한 천체의 운동은 아리스토텔레스의 우주관으로는 설명되지 않는 부분이 있었다. 우주의 중심은 지구가 아니고 태양이다. 하지만 이번에도 낙하 현상이 새로운 생각의 발목을 잡고 말았다. 지구가 우주의 변방에서 바삐 움직이고 있다면 어떻게 물체들이 지상으로 곧장 낙하할 수 있는가? 또한 움직이는 지구가 어찌 이렇게 미동도 없이 고요할 수가 있단 말인가? 이야기는 물체의 운동을 새로운 눈으로 바라본 뷔리당에서 한결 단순한 태양 중심의 우주를 상상한 코페르니쿠스에게로 이어진다.
5. 떨어진다는 것은 끌어당기는 것 - 케플러, 지상의 언어로 낙하를 설명하다
태양중심설은 천체의 운행을 지구중심설만큼 정확하게 예측하지 못했다. 그러나 태양이 우주의 중심이라는 것과 우주는 반드시 조화롭게 되어 있다는 굳건한 믿음을 가진 한 사람, 케플러는 태양중심설의 이 약점을 해결했다. 튀코 브라헤의 관측 자료를 철저히 분석하며 끈질긴 인내심으로 천체의 운행을 추적한 케플러는 나아가 천체가 움직이고 물체가 땅으로 떨어지는 데는 분명 인간이 이해할 수 있는 원리가 있다고 생각했고, 그 원리는 우리가 이미 알고 있는 ‘질량’일 것이라는 혁신적인 생각을 한다. 케플러는 천문학자로서 물리학자처럼 생각한 것이다.
6. 끌어당긴다는 어떤 추측도 할 수 없다 - 갈릴레이, 천상의 언어로 낙하를 분석하다
‘실험’과 ‘숫자’밖에 믿지 않는 갈릴레이는 지구중심설의 크나큰 단점, 왜 움직인다는 지구의 움직임을 전혀 느낄 수 없는가를 설명한다. 또한 우주의 참모습은 우리의 상식과는 완전히 다르며 절대적인 존재는 시간밖에 없다는 위대한 깨달음에 다다른다. 갈릴레이는 물체의 운동에 깊은 관심을 가졌는데, 운동의 본성을 알아낸 그는 그것이 물체의 낙하와 깊은 관련이 있다는 중요한 단서를 발견했다.
7. 맞다, 끌어당긴다! - 천상과 지상을 잇는 오래된 문제, 뉴턴이 끝내다
뉴턴은 사과를 던진다. 날아가던 사과는 떨어진다. 하지만 적절한 세기로만 던진다면 사과는 영원히 지구 둘레를 돌 수도 있다. 왜 지상의 물체는 아래로 떨어지는데 천체들은 공간에 떠 있는가? 이 지독한 수수께끼에 대한 답을 이미 선대 학자들은 찾아냈지만, 답의 모습은 퍼즐 조각과 같았다. 뉴턴은 이 조각들을 올바르게 꿰어맞춘 뒤에 아름다운 수학으로 마무리했다. 그의 답안은 명쾌하고 단순했다. 낙하 현상을 포함한 우주의 운동들은 관성과 질량체 사이의 끌어당기는 힘만 고려하면 그의 수식에 따라 다 설명된다. 우주는 천상과 지상, 두 세상이 아닌 단 하나의 세상이며, 오로지 하나의 법칙에 의해 돌아간다. 이 법칙을 안다면 우주의 모든 운동을 설명하고 예측할 수 있다.
8. 승리 뒤의 씁쓸함 - 말은 되는데 이해가 안 된다? 문제의 열쇠는 ‘빛’
뉴턴의 중력과 역학법칙은 마술상자 같아서 수치들을 입력만 하면 결과를 정확히 말해준다. 그런데 기괴한 점은 도대체 왜 그런 정답이 나오는지는 알 수 없다는 것이었다. 호기심 많은 사람들은 뉴턴 이론의 철학적 난점에 대해서 쉬지 않고 생각했으며, 결국 뉴턴 이론은 새롭게 떠오른 다른 학문의 직격탄을 맞게 된다. 우주의 모든 것이 뉴턴의 이론대로만 돌아가는 것이 아니었다. 다시 어지러워진 중력 문제를 풀 열쇠는 뜻밖에도 중력과는 관계가 없어 보이는 물리적 존재인 ‘빛’ 속에 있었다.
9. 전부 다 착각 - 아인슈타인이 뒤집다, 중력은 끌어당기기보다 밀어내는 것
또 한 번 중력의 모든 것이 뒤집힌다. 시간과 공간이 절대적인 것이 아니라 변하는 양이라는 것. 이만큼 믿기 힘든 이야기가 있을까? 이 놀라운 발상으로 아인슈타인은 기존의 시간과 공간의 개념을 송두리째 바꿔놓았으며 완성체라 여겼던 뉴턴의 역학법칙을 뒤엎어놓는다. 빛의 속도와 갈릴레이의 관성계에서의 상대성이론, 이 두 가지만으로 아인슈타인은 뉴턴조차 풀지 못한 중력의 원리를 밝혀냈다. 중력이 ‘힘’이라는 생각은 착각에 불과했다!
