3-3. 행성은 왜 태양 주위를 돌까 — 케플러의 법칙을 쉽게

🪐 400년 전, 한 남자가 하늘의 비밀번호를 풀었다

밤하늘을 올려다본 적 있어? 별들 사이를 천천히 이동하는 밝은 점들이 있어. 금성, 화성, 목성, 토성 같은 행성이야. 옛날 사람들은 이 이상한 빛들이 별들 사이를 떠돌아다닌다고 해서 "떠도는 별"이라고 불렀어. 영어 planet(행성)도 그리스어로 "방랑자"라는 뜻이야.

수천 년 동안 사람들은 이 방랑자들의 움직임을 기록했어. 그런데 행성들의 움직임은 정말 이상했어. 어떤 때는 앞으로 가다가 갑자기 뒤로 가는 것처럼 보이기도 했거든! (이것을 "역행"이라고 해.) 하늘에는 분명히 어떤 규칙이 숨어 있는 것 같은데, 아무도 그 규칙을 찾아내지 못했어.

그러다 1600년대 초, 요하네스 케플러(Johannes Kepler)라는 독일의 수학자가 등장해. 케플러의 이야기는 정말 드라마틱해.

케플러의 스승이었던 티코 브라헤(Tycho Brahe)는 덴마크의 천문학자로, 망원경이 발명되기도 전에 맨눈으로 20년 넘게 밤하늘을 관측해서 역사상 가장 정밀한 행성 위치 데이터를 모았어. 이 데이터는 티코의 보물이었고, 아무에게도 쉽게 보여주지 않았지.

1601년, 티코가 갑자기 세상을 떠났어. 그의 조수였던 케플러는 이 귀중한 데이터를 물려받았고, 여기서 행성 운동의 비밀을 찾아내겠다고 결심했어.

케플러는 특히 화성의 궤도에 집착했어. 화성의 관측 데이터를 설명하는 완벽한 궤도를 찾기 위해 6년 동안 계산을 반복했어. 수천 쪽에 달하는 계산을 손으로! 컴퓨터는커녕 계산기도 없던 시대에! 어떤 원형 궤도를 가정해도 티코의 데이터와 아주 약간씩 맞지 않았어. 그 차이는 아주 작았지만, 케플러는 포기하지 않았어.

그리고 마침내, 케플러는 놀라운 사실을 발견했어.

"행성의 궤도는 원이 아니라 타원이었다!"

이 한마디가 2000년 동안 사람들이 믿어온 "하늘의 운동은 완벽한 원"이라는 생각을 무너뜨렸어.

지금까지 우리는 뉴턴의 세 가지 법칙과 만유인력을 알아봤어. 뉴턴은 사과를 당기는 힘과 달을 묶어두는 힘이 같다는 것을 밝혀냈지. 그런데 사실, 뉴턴이 만유인력을 생각해내기 수십 년 전에 이미 케플러가 행성 운동의 규칙을 찾아냈어. 케플러는 **"무슨 규칙인지"**는 알았지만, **"왜 그런 규칙인지"**는 몰랐어.

뉴턴은 자신의 만유인력 법칙 하나로 케플러의 법칙을 전부 설명해냈어. 이것은 뉴턴의 이론이 진짜라는 강력한 증거가 됐지.

자, 케플러가 발견한 세 가지 법칙을 하나씩 알아보자!

핵심 질문: "행성은 태양 주위를 어떤 모양으로, 어떤 빠르기로 돌까? 그리고 왜 그렇게 돌까?"