뉴턴역학의 개념과 철학, 당시의 상황

I. 뉴턴역학의 개념

물리학이든 수학이든 뉴턴을 기준점으로 삼는것이 타당하다. 인물소개는 영문위키로 갈음한다.

Sir Isaac Newton PRS (25 December 1642 – 20 March 1726/27[a]) was an English mathematician, physicist, astronomer, alchemist, theologian, and author (described in his time as a "natural philosopher"), widely recognised as one of the greatest mathematicians and physicists and among the most influential scientists of all time. He was a key figure in the philosophical revolution known as the Enlightenment. His book Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Mathematical Principles of Natural Philosophy), first published in 1687, established classical mechanics. Newton also made seminal contributions to optics, and shares credit with German mathematician Gottfried Wilhelm Leibniz for developing infinitesimal calculus. [
출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton]

Isaac Newton - Wikipedia

그의 가장큰 업적은 프린키피아. 프린키피아에서 뉴턴은 세 가지 운동법칙을 확립한다.

1. 관성의 법칙
2. F = ma
3. 작용 반작용의 법칙

당연한 사실로만 받아들이는 경우가 많은데, 당연하지 않은 이유를 생각해보자.

1. 관성의 법칙

아리스토텔레스 - 뉴턴 이전시대까지의 물리학을 지배

아리스토텔레스는, 직선운동을 하는 물체는 언젠가 반드시 정지한다고 생각했다. 우리는 이 '정지'가 바닥의 마찰력이나 공기저항 등 때문임을 알고있지만, 아리스토텔레스가 활동했던 고대그리스 및, 갈릴레이 이전까지는 단순히 멈추는게 물질의 본성이라고 보았던 것이다.

갈릴레오

그러다 갈릴레오가 관성의 법칙을 발견하는데, 힘이 주어지지 않으면 계는 일정한 속도로 운동한다는 것이다.
그동안 통용되어온 '정지 본성' 이론을 반박한 것이다. 일상속에서 물체가 움직이다가 정지하는건, 단지 '힘'이 작용했기 때문인 것으로.

이게 근대과학의 제1업적이다. 수천년간 이어져온 아리스토텔레스의 '정지본성'을 깨고, 힘이라는 새로운 물리량이 등장하는 발판을 마련한 것이다.

뉴턴

뉴턴은 본인의 저서에서 자신은 "거인의 어깨에 올라탔을 뿐이다"라고 밝혔는데, 이는 관성의 법칙을 통해서 '힘'이라는 개념을 발견한 선배 갈릴레오를 일컫는 것으로 이해되고 있다.

여하튼, 관성의 법칙은 '정지본성'을 대체하는 근대과학의 첫 업적이다.

2. F = ma

(좌) 뉴턴, (우) F=ma 실험 (뉴턴 본인이 실험한 방식과는 다름. 이해를 위한 사진)

F = ma라는 식은 엄밀히 말하면 '발견된' 식이다. "힘 F를 ma라고 정의한 것"이라고 말하는 사람들도 종종 있는것으로 아는데, 이는 사실이 아니다.

뉴턴 이전에도 갈릴레오가 발견한 '힘'이라는 물리량을 규명하기 위해, 다양한 과학자들이 도전해왔으며, 뉴턴 이전에 과학계에서 받아들인 관계식은 F = mv였다.

그것을 뉴턴이 여러번의 정교한 실험을 거쳐서, 사실은 F = ma 가 맞다고 발표한 것이다. 따라서 F=ma 는 경험법칙이다.

3. 작용 반작용 법칙

작용 반작용 또한 실험을 통해 얻어낸 경험법칙이다.

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정리해보면,
(i) 갈릴레오는 '정지본성'을 부정하며 '힘'이라는 것이 세상에 존재한다고 밝혔다.
(ii) 뉴턴은 갈릴레오의 '힘' 개념을 수학적인 관계식으로 나타내는데에 성공했다. 실험을 통해 발견했으므로 경험법칙에 속한다.
(iii) 작용 반작용 또한 실험을 통해 얻어낸 관계식이다. 이는 닫힌계에서 주고받는 힘이나 영향은 계의 외부로 빠져나가지 않음을 뜻한다.

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2. 철학

(좌) 뉴턴 (우) 데카르트

한줄요약)) 뉴턴이전에 유럽에서 받아들여진 우주모형은 '소용돌이'가 휘몰아치는 우주였지만, 뉴턴은 진공을 생각해냈다.
뉴턴이 이렇게 파격적인 구상을 할 수 있었던것은, 그의 중력이론 덕분이었다.

중력이론을 통해 타원궤도를 계산하고, 여러 천문학적 현상들을 예측하는데에 성공하면서, 기존 형이상학적 사고에 치우쳐있던 데카르트의 우주관을 뒤엎은 것이다.

계몽주의 철학자 볼테르는 이에 대해 "데카르트는 형이상학적으로 '옳다'고 믿어지는 설명을 위해 여러 부가적인 것들을 끼워넣었다면, 뉴턴은 순수하게 실험과 경험을 통해서만 원리들을 이끌어내었고, 그것이 뉴턴의 후대과학자들이 더 많은 업적을 이루는것에 기여했다"고 칭찬하기도 했다.

https://www.voltaire.ox.ac.uk/lettres-newtonianism/

Lettres Newtonianism