세계 최초의 인공위성 스푸트닉이 발사된 지 60년이 지났습니다. 이후 인공위성 기술은 비약적으로 발전을 거듭해 NASA 산하 우주과학데이터보관소가 식별번호를 부여한 공식적인 인공위성만 6900여 개, 존재가 알려지지 않은 군사용을 합치면 실제로는 1만 개 이상이 지구 궤도를 돌고 있는 것으로 추정됩니다. 정보통신, 기상관측, 안보와 외계탐사까지 다양한 분야에서 인류의 삶을 바꾸고 있는 인공위성이 사과 한 알에서 비롯됐다는 사실을 알고 계십니까? 바로 그 유명한 ‘뉴턴 사과’입니다.
인공위성의 개념은 330년 전 뉴턴의 법칙에서 탄생했다. <사진 출처=NASA> 17세기에 열린 항공우주개발의 서막 케임브리지 대학생이었던 아이작 뉴턴은 1665년 런던의 페스트를 피해 고향 링컨셔에 머물렀습니다. 잠시 학업을 쉬며 독서와 산책으로 시간을 보내던 뉴턴은 이곳에서 자연 현상의 숨은 원리에 대해 깊이 생각해봅니다. 흔히 ‘사과나무’ 전설로 알려진 뉴턴의 깨달음은 정교한 이론을 통해 다듬어졌고, 20년 후 마침내 <자연철학의 수학적 원리>라는 책을 통해 인류사를 동요시킵니다.
출간된 지 몇 달 만에 이미 너무나 유명해져 프린키피아(Principia, 원리)로만 불리게 된 이 책에는 오늘날까지 수업시간에 열심히 배우는 세 가지 운동법칙(관성·가속도·작용반작용)과 만유인력의 법칙, 그리고 이를 통한 태양계 행성의 운동원리가 설명되어 있습니다. 또한 그가 발견한 자연법칙을 수학적으로 표현하기 위해 발명한 미적분 이론이 포함되어 있습니다.
많은 과학사가들은 뉴턴의 프린키피아를 인류 역사상 가장 뛰어난 지적 성취물로 평가하고, 이 책이 세상에 나온 1687년을 기적의 해라고도 부릅니다. 그도 그럴 것이 뉴턴의 법칙과 이를 수식으로 나타내는 미적분은 고정된 세상만을 관찰할 수 있었던 인류에게 모든 만물의 움직임과 변화를 측정하고 예측할 수 있는 도구를 주었기 때문입니다.
‘자연철학의 수학적 원리'(Philosophi N Naturalis Principia Mathematica). <사진의 출처=Wikimedia> 뉴턴 법칙으로 계산하는 위성궤도와 속도 뉴턴의 이론은 산업혁명을 넘어 매끄러운 곡선의 비행기, 자동차, 스마트폰, 3D 프린팅, 초고층 빌딩의 설계와 주식시장 분석까지 21세기 일상사의 대부분에서도 사용되지 않는 곳이 없습니다. 인공위성도 그 중 하나입니다.
뉴턴은 질량을 가진 물체 사이에는 힘이 존재한다는 것을 밝혀냈습니다. 만유인력의 법칙입니다. 산 위에서 쏘는 포탄을 예로 들며 만유인력은 포탄과 지구라는 두 물체가 가진 질량의 곱에 비례하여 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 설명했습니다. 하지만 속도가 떨어지면 결국 추락하는 포탄과 달리 어떤 물체라도 충분한 속도만 주어지면 땅에 떨어지지 않고 지구 주위를 계속 돌 수 있다고 했습니다.
330년 전 떨어지는 사과에서 비롯됐다는 뉴턴의 놀라운 통찰은 오늘날에도 수많은 인공위성으로 이어져 우리의 머리 위를 맴돌고 있습니다. 현대 과학자들은 그의 물리 법칙과 미적분에 힘입어 로켓의 중력 탈출 속도와 인공위성의 궤도를 계산하고 있습니다. 지상 800km의 저고도 위성이 되려면 초속 7.9km에 도달해야 하고 지구 중심에서 거리가 더 먼 고도 3만6000km의 정지궤도 위성은 초속 3.1km로 운동을 해야 한다는 거죠.
아이작 뉴턴(1642-1727). <사진소스=Wikimedia> 기획/제작 : 항공우주 Editor 오요한 자문/감수 : 정지궤도복합위성사업단 용기력박사