만유인력 법칙은 어떻게 발견되었을까?

뉴턴의 사과나무에 대한 일화에 여러 가지 설이 있다?

뉴턴이 사과나무에서 사과가 떨어지는 것을 보고 만유인력에 대한 영감을 얻었다는 일화가 있다. 어린이용 위인전을 보면, 뉴턴이 떨어진 사과에 머리를 맞고 만유인력의 법칙을 번뜩 떠올리는 장면이 만화로 그려져 있기도 하다.

하지만 중간에 아무런 사고의 흐름도 없이 사과가 떨어진 것만 보고 만유인력을 번뜩 떠올렸다는 이야기는 비논리적으로 보인다.

그래서 과학사학자들 마저도 뉴턴의 사과 일화의 진위여부를 두고 갈라서기도 했다. ‘사과가 머리에 떨어진 것이 아니라 코에 떨어졌다. 아니다. 사과는 그냥 땅에 떨어졌다.’ 등 여러 가지 설이 존재하고, 심지어 뉴턴의 사과 일화는 뉴턴 자신이 지어낸 이야기라는 설도 있다.

뉴턴의 사과 일화가 기록된 핵심적인 원본 문서, <아이작 뉴턴의 삶에 대한 회고록>

2010년 1월 영국의 신문사 인디펜던트(The Independent)에서는 영국 왕립 학회가 뉴턴의 사과 일화가 기록된 원문을 인터넷에 공개해 모든 사람들이 볼 수 있도록 했다는 내용을 보도했다. 보도에 의하면 사과 일화의 진위를 증명할 핵심적인 문헌이 공개됨에 따라 논쟁은 일단락 된 것으로 보인다. 제공되는 원문은 윌리엄 스터클리(William Stukeley, 1687-1765)가 기록한 ≪아이작 뉴턴경의 삶에 대한 회고록≫이다.

아쉽게도 이 문헌을 통해서는 사과가 정말로 뉴턴의 머리에 떨어졌는지는 알 수 없지만, 뉴턴의 사과 일화가 기록된 핵심적인 원본문서라는 점에서 중요한 가치를 지닌다. 왕립 학회 도서관원장 케이스 무어(Keith Moore)는 사과 일화에 대해 “이야기는 확실히 맞지만, 줄거리를 가지고 더 잘 이야기해 보자.”라고 했다.

뉴턴이 사과가 떨어지는 것을 보고 영감을 받은 것은 확실히 맞지만, 사과가 떨어진 현상에서 만유인력의 법칙에 도달하기까지 있었던 사고의 과정을 잘 설명해야한다는 의미이다. 또한, 무어는 사과 일화는 지구같이 생긴 물체가 지구에 끌어당겨지는 아이디어와 잘 맞아 떨어진다고 했다. 무어의 말대로 생각해보면, 지구같이 둥근 모양을 가진 사과는 행성의 운동을 두고 고민하던 뉴턴의 사고를 충분히 자극했을 것 같다.

스터클린이 깨달은 뉴턴의 사과

스터클리는 1726년 뉴턴과 같이 저녁 식사를 한다. 식사를 마치고, 정원으로 나가 사과나무 그늘 아래서 단둘이 차를 마셨다. 대화가 오고 가던 중, 뉴턴은 이전에 중력의 개념이 떠올랐을 때에도 오늘과 비슷했다고 말했다. 그는 당시 사과나무 그늘 아래에 앉아 사색에 잠겨 있었고, ‘왜 사과는 항상 지면에 수직하게 떨어질까? 옆으로나 위로가 아니라 왜 지구의 중심으로 떨어질까?’ 생각했다고 말했다.

뉴턴은 ‘분명히 지구가 그것을 당기기 때문일 것이다. 물체가 당기는 힘이 반드시 있을 것이다. 지구를 구성하는 물체가 당기는 힘의 합은 반드시 지구 중심에 있을 것이다.’라고 생각했다. 그리고 ‘작용 반작용의 법칙’에 따르면 지구가 사과를 당기면 사과도 같은 크기의 힘으로 지구를 당겨야 했고, 서로 당기는 힘의 크기는 물체의 양에 비례할 것이라고 생각했다.

원문의 내용은 ‘만약 물체가 물체를 당기는 힘이 있다면, 그 힘은 물체의 양에 비례할 것이다. 그러므로 사과는 지구를 당기고, 지구는 사과를 당긴다.’라고 되어 있다. 이것은 가장 자세히 기록된 사과나무 일화라고 한다.

사과 나무 일화를 다음 칼럼에서 자세하게 다루겠다.