재미있는 과학이야기 - 우주에는 휴식이 없다

재미있는 과학이야기 - 우주에는 휴식이 없다

갈릴레이는 1564년에 이탈리아의 피사에서 태어났다.(영국의 대문호 셰익스피어가 태어난 해였다.)

그는 의학 연구를 위해 피사의 대학에 입학하였지만, 자신의 수업에는 출석하지 않고 그 시간을 수학 강의실 문 뒤에서 보냈다. 

어느 날 기하학에 대한 강의를 우연히 듣게 된 그는 자신의 일생을 과학에 바치기로 결심하게 된다. 그리고 그는 스물 다섯 살에 이미 대학의 수학 교수가 되어 있었다.

어느 날 아침 피사의 대성당에서 설교를 듣고 있던 그는 천장에 매달려 있던 샹들리에가 창밖에서 불어온 바람 때문에 이리저리 흔들리고 있는 것을 보게 되었다.

바람이 약해지자 그 흔들림은 점차 잦아졌다. 그는 샹들리에가 흔들리는 폭과 흔들리는 데 걸리는 시간과의 관계를 알아보고 싶어졌다. 그는 시계 대신 손목이 맥박으로 샹들리에가 움직이는 시간을 재보았다. 그가 예상했던 대로 흔들리는데 걸리는 시간은 동일했다.

갈릴레이는 이렇게 해서 흔들이(진자)의 법칙을 발견했다. 그 뒤, 그는 실험실에서의 실험을 통해 다른 법칙도 알아냈다. 그것은 흔들이 끝에 매달려 있는 추의 무게는, 흔들이의 길이가 일정하다면 흔들리는 시간과는 아무런 관계가 없다는 것이었다. 

예를 들면, 대포 탄환의 무게를 가진 것이나 마스켓 총의 작은 총알 정도의 무게를 가진 것이나, 흔들이의 길이만 같다면 모두 똑같은 속도로 흔들린다는 것이다.

갈릴레이는 생각을 진전시켜 나갔다.

"무게가 다른 흔들이가 같은 속도로 흔들린다면, 낙하할 때도 같은 속도로 떨어질까?"

갈릴레이는 스테빈의 낙하 실험에 대해서는 아무것도 모르고 있었다. 대학의 동료 교수들도 또한 모르고 있었다.

"아니, 갈릴레오. 자네도 아리스토텔레스가 이미 이 문제를 해결했다는 것을 알고 있을 텐데. 무게가 다르면 떨어지는 속도도 분명 다르다네."

갈릴레이는 불만이라는 듯이 말했다.

"여러분은 아리스토텔레스라는 영험 있는 이름 하나로 모든 것을 해결하시는군요. 만일 아리스토텔레스가 달걀을 투석기에 걸고 빙빙 돌리면 삶은 달걀을 만들 수 있다고 가르친다면, 여러분은 아리스토텔레스가 그렇게 말했다는 이유 하나로 그것을 믿으시렵니까? 아니면 실험을 통해 그런 구식 요리법이 맞는지를 알아보시겠습니까? 저는 진리를 위해서는 자신의 눈과 귀에 의지해야 한다고 가슴 깊이 새기고 있습니다. 훌륭한 실험 하나는 수천 명의 아리스토텔레스를 당해낼 수 있다고 생각하기 때문입니다."

"그런 입빠른 소리를 하다가 언젠가는 파멸의 구렁텅이에 빠지고 말 걸세."

동료 교수들은 중얼거렸다.

그때 갈릴레이는 피사의 대성당에서 약간 떨어져 있는 유명한 피사의 사탑 꼭대기에 올라가, 거대한 대포알과 작은 마스켓 총의 총알을 떨어뜨렸다고 전해지고 있다. 결과는 그가 기대했던 대로 두 물체가 동시에 지상에 도달한 것이었다.

이것을 본 교수들은 놀라고 말았다. 그들은 자신이 눈으로 본 것을 믿을 수가 없었다. 

'분명 어떤 속임수가 있었을 거야.'

이렇게 생각한 그들은 도서관으로 다시 돌아가 아리스토텔레스의 저서를 살펴보았다. 그리고 이렇게 씩씩거렸다.

"그래, 우리가 맞아. 아리스토텔레스는 그런 일은 일어날 수 없다고 말했어. 그러니 그런 일은 일어날 수 없는 거야."

그리고 불만스러운 얼굴로 이렇게 덧붙였다.

"그래, 탄환이 너무 빨리 낙하해서 제대로 보기도 전에 상황이 끝나 버렸던 거야."

그 이야기를 들은 갈릴레이는 다시 물었다.

"만일 제가 탄환을 천천히 떨어뜨린다면 여러분께서는 두 눈으로 본 것을 믿으시렵니까?"

"탄환을 천천히 떨어뜨리다니! 자네, 미쳤군!"

교수들은 소리를 질러댔다.

갈릴레이는 사탑의 실험에 대해서는 스스로도 만족하지 않고 있었다. 실험에서 무게나 길이를 정확하게 잴 수 없는 한 결코 만족할 수 없었던 것이다.

매우 중요한 의문이 그의 마음속에서 싹을 틔우고 있었다. 피사의 사탑에서의 실험은 그 의문에 답하지 못하고 있었던 것이다. 

그 의문이란 바로 '낙하하는 물체의 속도는 낙하하는 도중 언제나 같은 속도일까, 아니면 속도가 점차로 빨라지는 것일까?' 라는 것이었다.

그렇다면 그 속도를 어떻게 측정할 것인가? 정확하고 정밀한 시계 같은 것은 아직 이 세상에 없다. 따라서 갈릴레이 스스로 제일 먼저 해결해야 할 과제는 시간 측정기를 발명하는 것이었다.

"나는 물이 들어 있는 보통 양동이의 바닥에 작은 구멍을 뚫어서 아주 가는 실날 같은 물이 흘러나오도록 했습니다. 흘러나온 물을 컵 안에 들어가게 하고, 거기에 고인 물을 가끔씩 측량할 수 있도록 만듭니다. 이렇게 해서 물시계를 만들었습니다.

그런데 놋쇠로 만든 공을 천천히 떨어지게 하려면 어떻게 해야 할까요? 공을 경사지고 매끈매끈한 판 위에서 굴리면 될 것입니다.

나는 길이 약 10m의 나무판에 매끈매끈한 홈을 만들었습니다. 그리고 그 한 끝을 지상에서 30cm정도 올렸습니다. 이 경사진 판의 홈에 먼저 무거운 청동구를 굴리고, 이어서 가벼운 청동구를 굴려보았습니다. 

이 2개의 공이 구른 시간을 물시계로 재어보니 정확히 같았습니다. 공의 무게는 낙하 속도에 아무런 영양을 주지 않았던 것입니다.

그런 다음, 공 하나를 판에 있는 홈의 4분의 1만을 구르고 멈추게 해보았습니다. 놀랍게도 그 시간은 끝까지 구르는 시간의 2분의 1이나 되었습니다. 

시간이 흐를수록 낙하 속도는 더욱 빨라졌던 것입니다.(낙하 시간이 1 대 2일 때 거리는 1 대 4로, 거리는 시간의 제곱에 비례한다)

나는 판의 한쪽 끝을 지상으로부터 차츰 높이 세워가다가 마지막에는 지상에 수직이 되도록 세워서 실험을 반복해보았습니다. 

몇 번이고 반복해도 마치 어떤 법칙이라도 되는 듯, 결과는 전과 마찬가지였습니다. 낙하하는 물체는 낙하 거리가 길면 길수록 속도가 빨라지는 것이었습니다."

갈릴레이는 이 실험을 통해 그의 최대의 업적을 이룰 수 있었다. 어떤 물체든 그것이 낙하하는 속도는 그 물체의 모양, 크기, 색깔, 재료, 그리고 무게와 아무런 관계가 없었다. 속도는 오직 한 가지, 낙하하는 시간의 길이에 대해서만 관계가 있었다.

이것은 만약 공기의 저항을 제거한다면, 깃털이나 100kg의 철구나 동시에 같은 속도로 떨어진다는 것을 의미한다. 다시 말해서 진공 상태에서는 모든 물체가 동시에 낙하한다는 의미이다. 

갈릴레이는 위의 실험에서, 우리들이 대부분 주의를 기울이지 않고 있는 부분에 대해서도 유심히 생각해 보았다. 공은 판 아래를 지나 바닥에 떨어져도 얼마간은 구르기를 멈추지 않다가 서서히 정지했던 것이다.

'어째서 곧바로 정지하지 않는 것일까?'

갈릴레이는 자문해 보았다.

'그리고 어째서 결국은 멈추고 마는 것일까?'

통로에 벽이나 의자가 있고, 깔린 물건이 있고 공기 저항과 같은 것이 있기 때문일까? 그렇다면 통로에 아무것도 없다고 가정해보자. 

여기에서 갈릴레이는 기이하지만 훌륭한 결론을 내렸다. 통로에 공기를 비롯해서 아무것도 없다면 공은 영원히 계속 굴러갈 것이다!

갈릴레이 시대의 사람들은 움직이게 하는 것이 없으면 어떤 것도 움직이지 않는다는 아리스토텔레스의 이야기를 여전히 굳게 믿고 있었다. 

예를 들어, 짐 싣는 마차는 그것을 잡아당기는 말이 없으면 움직이지 않을 것이고, 행성은 그것을 안고 돌려주는 천구가 없으면 움직이지 않을 것이라는 것이다.

사람들은 갈릴레이의 이야기를 듣고 당황했다. 그리고 화를 냈다. 이 기묘한 대학 교수는 세상을 뒤바꾸려 하고 있다. 그에 의하면 움직이고 있는 물체는 자발적으로 움직이고 있는 것이다. 방해물이 없다면 그 물체는 영원히 움직인다고 주장한다.

갈릴레이의 움직이는 물체에 관한 실험은 과학사의 한 전환점이 되었다. 그 실험들은 자연에 관해 총체적으로 보는 방법을 가르쳐 주었다. 

그는 정지하고 있는 세계, 움직이고 있는 세계를 보여주었다. 그에 의하면, 천계와 지상의 모든 것은 도중에 무엇인가가 개입하기 전까지는 언제나 직선 운동을 하는 것이었다.

그의 실험은 별, 혜성, 행성, 그리고 우리 지구의 변함없는 운동을 설명해 주었다. 오늘날에는 지구의 영향권으로부터 벗어나 똑같은 실험이 행해지고 있다. 

이것은 인공 위성이 언제나 지구 주의를 돌고 있는 이유를 잘 설명해 주고 있다.

갈릴레이 이전에 소수의 과학자는 우주의 엄청난 크기에 새로이 눈을 뜨고 있었다. 그리고 갈릴레이는 그 우주에 휴식이 없다는 것에 최초로 주목한 사람이었다.