과    학

1.

독일의 케플러는 천체 운동을 연구하면서 '태양계의 모든 행성들은 타원 궤도를 그리며 태양 둘레를 공전한다.' 라고 하는 '타원 궤도의 법칙'을 발견했고, 뉴턴은 만유인력의 법칙을 비용해서 그것의 타당성을 이론의 여지없이 완벽하게 입증했다. 그런데 프랑스 천문학자 르 베리에는 수성의 공전 궤도가 두 법칙에 어긋난다는 사실을 발견했다. 평소 뉴턴의 이론을 신뢰했던 그는 '섭동(攝動)'을 통해 이 문제를 해결하려고 시도했다.

2.

'섭동'이란 천체의 운동에 주변의 천체들이 영향을 미치는 것을 의미한다. 뉴턴의 만유인력의 법칙에 따르면, 중력을 가진 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 작용한다. 그러므로 태양과 수성, 금성, 지구, 달, 화성 등의 태양계 속 천체들은 서로 다양한 인력을 주고받는다. 따라서 르 베리에는 태양 둘레를 회전하는 수성의 공전 궤도도 이러한 섭동의 영향을 받을 것이며, 그 공전 궤도가 두 법칙에 맞지 않으므로 태양계 어딘가에 또 다른 천체가 있을 것이라 생각했다. 즉, 미지의 행성이 수성의 공전 궤도에 영향을 주고 있으며, 이 행성을 발견한다면 수성의 공전 궤도에 얽힌 비밀이 풀릴 것이라고 생각한 것이다.

3.

그는 태양계 행성들이 수성에 미치는 섭동 결과를 계산하고, 그 결과를 섭동 현상의 유무에 따라 조목조목 나누어 분석한 뒤, 이를 통해 행성이 있을 만한 곳을 예측하여 샅샅이 관측하였다. 르 베리에는 과거 이 방식으로 해왕성을 발견한 경험이 있었기 때문에 그의 이러한 접근은 당연한 것이었다. 그러나 새로운 행성은 발견되지 않았고, 르 베리에의 계산 결과는 수성의 실제 공전 궤도와 43초 차이가 있었다. 이는 과학계의 미스터리로 남았다.

4.

이후 아인슈타인은 새로운 방법으로 이 미스터리를 해결했다. 그는 우주가 평평한 입체가 아니라 중력에 의해 휘어져 있으며, 휘어짐의 정도는 중력의 크기에 의해 결정된다고 생각했다. 즉, 중력을 가진 물질은 공간을 휘게 하는데, 태양 및 수성의 주변 공간 역시 이 둘의 중력에 의해 휘어져 있고, 수성은 그 휘어진 공간을 이동한다는 것이다. 따라서 수성이 태양에 접근할 때마다, 공간의 휘어짐이 조금씩 달라져서 결국 케플러나 뉴턴의 법칙에 어긋나는 공전 궤도를 보여준다는 것이 아인슈타인의 추론이었다. 아인슈타인은 자신이 발견한 '상대성 이론'의 공식을 활용하여 수성의 공전 궤도를 계산하였는데, 그 계산 결과는 실제 수성의 공전 궤도와 정확하게 일치하였다.

5.

또한 아인슈타인은 빛이 중력이 큰 별을 지날 때 휘어진 공간을 거치므로, 밤하늘에서 우리가 관측하는 별의 위치와 실제 별의 위치는 다를 것이라 생각하였다. 그 후 1919년 영국 탐사팀에 의한 '빛의 휨 측정' 실험을 통해 중력이 공간을 휘게 한다는 아인슈타인의 생각이 옳다는 것이 증명되었다. 이 실험을 계기로 뉴턴의 물리학은 과거에 비해 영향력을 잃었으며 아인슈타인의 '상대성 이론'이 과학계의 중심 이론으로 자리잡게 되었다.

◆ 2015년 3월 사설 모의고사(대성), 국어A 독서 영역 ‘과학’지문

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