동역학(1)

자연철학자 갈릴레오가 피사 사원의 기울어진 탑 위에서 물체를 떨어뜨린 행동은 당시의 시대적 특징을 단적으로 보여주는 서건이었다.  탑 위에서 질량체를 자유낙하 실험시킨 실험이 밝히고자 한 것은 무게가 다른 물체들은 같은 높이에서 동시에 자유낙하시킬 경우, 동시에 떨어지는지를 확인하는 것이었다. 아리스토텔레스의 원칙에 의하면 무거운 물체가 더 빨리 떨어진다고 했다. 그러나 갈릴레오는 동시에 떨어질 것이라고 확신했고, 기울어진 탐의 꼭대기에서 여러 무게의 물체를 직접 자유낙하시켜 이를 입증했다.  이 법칙에 대한 겉보기의 예외는 낙하물체가 지극히 가볍거나 낙하속도가 아주 빨리 공기의 저항이 만만치 않을 경우에 발생한다. 그러나 공기 저항을 무시하면 갈릴레오 법칙은 옳다. 이 실험은 갈릴레오가 관성과 질량의 연관관계 속에서 제대로 파악해낸 개념들이 만든 성과다.뉴턴은 운동 제1법칙,  상태를 변화시키는 힘을 따로 받지 않는 한 모든 물체는 정지 상태에 있거나, 혹은 직선 방향으로 등속도 운동을 한다는 것이다. 이 법칙의 내용중 혹은 직선방향으로 등속도 운동을 한다를 생략해 보면, 아리스토텔레스의 공식 ‘모든 물체는 상태를 변화시키는 힘을 받지 않는 한 정지된 상태를 유지한다.

 

즉 어떤 물체가 운동 중이라면, 그 운동 상태를 유지하기 위한 힘이 꾸준히 요구된다는 것이다. 아무 힘도 받지 않는 물체의 상태는 등속직선운동이다.  즉 등속운동을 일으키는 원인, 또는 다른 표현을 원한다면 그 운동에 수반되는 지속적인 그 어떤 외력 또는 영향력은 발견되지 않는다. 정지상태란 이러한 등속운동의 특수한 경우, 즉 속도가 0인 등속운동일 따름이다.  따라서 속도의 크기 또는 방향이 변하는 경우가 아니라면 우리는 운동의 외부영향을 애써 찾을 필요가 없다. 1609년 독일의 수학자 케플러는 행성의 공전궤도가 실제로는 타원형, 즉 나중에 보다 자세히 살피게 될 특수한 형태의 달걀모양임을 입증했다. 행성이 이탈하지 않고 타원궤도를 따라 돌도록 운동의 방향만 굽게 하는 힘을 찾아야 했다.  실제로 이 힘은 태양으로부터의 거리 제곱에 반비례하는 태양의 만유인력으로서 이는 앞에서 살펴본 바 있다.  역학은 아마도 그리스 사람들 중 누군가가 지렛대의 역학적 이점을 논리적으로 생각하고, 물체의 무게와 연관된 여러문제를 정리함으로써 최초로 시작되었다고 본다.

 

감각기관에 의해 지각되는 사물들의 질적 다양성이란 것도 실은 공간상에 존재하는 사물들의 측면에서 보면,  위치상의 변화 또는 운동을 파악하는 독특한 하나의 양식에 불과하다.  현대 과학에 따르면, 열이란 물체의 분자들이 보이는 심한 요동 외에는 다른 무엇도 아니다. 우리가 오르간 연주를 한다고 하자. 이때 들리는 선율이란 것도 우리의 고막을 자국하는 공기운동의 결과이다. 따라서 현상에 대한 동역학적 설명을 하고자 하는 노력이란 현상을 보다 일반적 형식의 진술로 설명하고자 하는 것이다. 이를테면 이러이러한 실체 또는 사물이 여기에 있었는데 지금은 저기에 있다는 말이 좋은 예이다.  우리는 이제 현대과학의 위대한 기초개념, 즉 우리의 모든 감각이란 시간,  공간상의 사물들의 변화된 배치,  구성을 우리 나름대로 비교 파악한 결과라는 결론에 도달하게 된다.

 

상식적 사고로는 우연과 임의로만 여길 일을,  자연철학 탐구에 수학을 적용함으로써 과학은 체계적으로 수행할 수 있게 되었다. 의자에 대해 말할 때 우리는 과거에 보았거나, 어떤 방식으로든 감각한 바 있는 그 무엇을 의미하기 마련이다. 그럼에도 불구하고 대부분의 언어들은 우리 감각과 무관하게 존재하는 어떤 것을 전체로 삼는다. 의자란 공간상에 있는 일련의 분자집합 혹은 운동중인 에테르의 일부인 전자집합, 그것도 아니면 그런 것을 기술하는 그 어떤 현대과학적 개념의 실체로 생각되었다. 그러나 여기에서 강조할 사항은 과학이 공간을 운동하고 서로의 운동에 영향을 미치는 사물들로 의자를 환원시킨다는 점이다.