천문학자 라플라스가 창안한 천체역학이란?

프랑스의 천문학자 피에르 시몽 라플라스는 천체역학을 어떻게 창안하게 되었을까요?

 

 

 

 

천체역학의 창안자 라플라스는 어떤 사람일까요?

라플라스는 나폴레옹과 동시대를 산 프랑스의 과학자이고, 이론물리학자이면서 수학자로 폭넓게 활동한 사람입니다. 아인슈타인만큼 대중적으로 널리 알려진 건 아니지만, 물리학자와 수학자들 사이에선 라플라스의 이름을 모를 수가 없을 정도로 상당히 인지도가 높은 사람입니다. 라플라스가 쌓은 이론이 있었기때문에 물리학과 수학이 크게 발전할 수 있었다고 해도 과언이 아닙니다.

라플라스는 빛을 잡아먹는 천체를 상상한 최초의 과학자 중 한 사람이입니다. 그리고 천체역학이라는 용어를 처음 사용한 사람이기도 합니다. 천체역학에 대해 서술한 <천체역학>이라는 책을 출판했고, 이것은 1798년부터 1827년에 걸쳐서 집필한 방대한 책입니다. 그리고 라플라스는 이 책에서 이렇게 이야기했습니다.

 

중력은 우주에서 일어나는 모든 사건을 좌지우지한다. 태양계 속 천체의 운동은 뉴턴의 중력 이론으로 완벽한 설명이 가능하다.

 

라플라스는 이런 생각이 틀리지 않다고 확신했는데, 한번은 나폴레옹이 라플라스를 찾아와 이렇게 물었습니다. 

"당신의 책을 잘 읽어 보았습니다. 그런데 아무리 눈을 씻고 찾아봐도 신에 대한 언급은 전혀 없습니다."

이에 대해 라플라스는 이렇게 대답했습니다.

"예전에는 천체의 운동을 설명하면서 늘 신을 결부시켰습니다. 그것은 그만큼 과학적 지식이 부족하다는 반증입니다. 제 과학 이론으로 천체의 운동을 완벽하게 설명할 수가 있는데, 굳이 신을 넣을 필요는 없다고 생각합니다."

천체에 담긴 신비를 풀어내려는 라플라스의 시각은 대중의 시선을 생각하기보다는 과학적이고 합리적으로 풀어내려 노력했습니다.

 

 

신으로부터 벗어남

신과 과학에 대해 이야기 해보자면 옛사람들은 자연의 거대한 힘 앞에 무력하게 무릎을 꿇어야했습니다. 번개가 번쩍하고 내리치면 벌벌 떨어야 했고, 태풍이 거세게 휘몰아치면 농작물은 물론이고 집까지 한꺼번에 잃었습니다. 그래서 사람들은 신을 찾았고, 신께 간청하며 빌어야했습니다. "태풍의 신이여 농사를 망치지 않도록, 태양의 신이여 벼가 잘 익도록, 가뭄의 신이여 농작물이 말라 죽지 않도록.." 하지만 언제까지나 이렇게 지낼 수만은 없었습니다. 사람들은 작은 발걸음이지만 자연에 대응하는 방어책을 서서히 세워 나갔습니다. 그러면서 자연현상을 바라보는 시각도 차츰 바뀌어갔습니다. 자연현상을 늘 신과 결부시켜 생각하려던 자세에서 벗어나려는 노력을 기울이기 시작한 것입니다.

 

신이 세상의 모든 일을 마음대로 처리하는 건 아니다.

 

옛사람들이 깊은 깨달음에 도달하게 되었고 합리적 지식이 점차 늘었습니다. 점점 늘어 가는 지식은 거대한 자연에 도전하려는 사람들의 노력에 십분 용기를 더해주었습니다. 자연의 본모습을 제대로 파악하려는 시도가 마침내 이루어졌고, 신에게 기대기보단 합리적인 생각과 행동으로 자연을 대하고 탐구하려는 경향이 점차 우세해지기 시작했습니다. 이런 흐름이 최초로 두드러지게 나타난 때는 고대 그리스 시대였습니다. 그 후 곧바로 신으로부터 완전하게 벗어난 것은 아니었고 신으로부터의 독립은 아주 오랜 세월이 걸렸습니다.

 

 

빛을 잡아먹는 천체에 대한 상상

라플라스가 천체물리학 분야에서 이루어 낸 업적을 설명해 보겠습니다. 천체에는 탈출속도가 있습니다. 탈출속도는 천체의 중력을 이기고 빠져나갈 수 있는 속도를 말합니다. 그 천체가 달이면 달 탈출속도, 지구이면 지구 탈출속도, 목성이면 목성 탈출속도라고 합니다. 

 

탈출속도는 천체의 중력을 이기는 속도입니다. 

탈출속도는 중력과 밀접하게 연관돼 있다는 뜻입니다.

중력은 질량과 깊은 관계가 있습니다.

 

중력은 질량이 무거울수록 큽니다. 이것이 뉴턴이 알아낸 중력의 법칙입니다.

 

탈출속도는 중력과 관계가 있고 중력은 무거울수록 강하니, 탈출속도는 천체가 무거울수록 클 것입니다. 천체의 질량이 무거울수록 탈출속도는 빨라질 것입니다. 탈출속도가 커지다 보면, 언젠가는 광속과 같아지는 순간이 올 겁니다. 탈출속도가 광속이 된다는 것은 빛의 속도로 달린다는 뜻입니다. 광속으로 내달려야 천체를 벗어날 수 있다는 것입니다.

그렇다면 탈출속도가 그 이상이 되면 어떻게 될까요? 빛도 빠져나오지 못할 것입니다. 빛이 빠져나올 수 없으니, 그 천체는 보이지 않을 것입니다. 사물은 빛이 있어야 보이기 때문입니다. 보이지 않는 천체라.. 우리 눈에 보이지 않는 천체를 상상할 수 있을 겁니다. 

보이지 않는 미지의 천체, 이것을 블랙홀이라고 부릅니다. 라플라스는 이미 블랙홀을 예측했던 것이었습니다.