해왕성의 발견과 수성의 이동과 관련된 과학연구

 지난 글에서 코페르니쿠스적 '혁명'의 비혁명적 부분을 언급하며, 이는 시간이 지남에 따라 연이은 과학자들에 의해 점진적으로 발전하는 과학의 본질을 감안할 때 자연스럽게 이해될 수 있다고 설명했다. 이 기사에서, 우리는 과학 연구의 특정한 맥락에서 상상력이 어떻게 작용하는지를 살펴볼 것이다.

천왕성은 토성만큼 아름다운 고리를 가진 행성이다. 그러나 천왕성의 궤도가 뉴턴 역학의 예측과 반대된다는 사실은 19세기 초에 천문학자들 사이에서 널리 알려졌다. 사실, 일부는 그 이전에도 천왕성의 관측된 궤도와 뉴턴 역학 사이의 불일치를 지적했지만, 망원경이 더 발전하고 천왕성의 궤도를 확인하기 위해 오랜 관측을 축적하기 전까지는 뉴턴 역학의 예측과 천왕성의 실제 궤도는 실제로 그렇지 않았다. 그것이 다른지 확신할 수 없었다.

천왕성의 관측 궤도는 뉴턴 역학이 예측한 것보다 태양에서 바깥쪽으로 기울어져 있는 것처럼 보였다. 이 사실은 천왕성에 대한 태양의 흡인력이 "뉴턴의 중력 예측보다 약간 약하다"고 말하는 것으로 해석될 수 있다."

이제 과학의 상식적 시각에 따르면 경험적 사실을 제대로 설명하지 못하는 이론은 버려야 하고, 과학자들은 경험적 사실을 설명할 수 있는 새로운 이론을 찾아야 한다. 19세기 초부터 일부 과학자들은 뉴턴 역학을 버리고 이러한 상식적인 과학관과 맞물려 새로운 이론을 찾아야 한다고 주장했다. 우리는 천왕성의 궤도를 정확하게 예측할 수 있는 새로운 이론을 만들어야 한다.

그러나, 이 이론은 천왕성의 궤도를 설명할 뿐만 아니라, 뉴턴 역학에 의해 이전에 잘 설명되었던 다른 모든 현상들도 설명해야 한다. 그것은 뉴턴 역학보다 '더 나은' 이론일 것이다. 다시 말해, 그것은 천왕성뿐만 아니라 태양계에 있는 다른 행성들의 궤도를 전통적인 뉴턴 역학을 설명할 수 있어야 한다.

뉴턴 역학이 천왕성의 궤도를 제대로 설명할 수 없기 때문에 새로운 이론을 찾아야 한다고 주장한 과학자들은 과연 새로운 이론을 발견했을까?

놀랍게도 효과가 있었다. 시작점은 앞서 언급했듯이 천왕성의 궤도가 뉴턴 역학에 의해 예측된 것보다 태양으로부터 바깥쪽으로 편향된다는 사실은 천왕성에 대한 태양의 끌어당기는 힘이 뉴턴의 중력보다 약하다는 것을 의미한다. 그래서, 그 당시 일부 과학자들은 뉴턴의 중력이 매우 약하다고 생각하고 천왕성의 궤도를 돌려고 했다.

아시다시피 뉴턴의 중력은 떨어져 있는 물체 사이의 거리(R2)의 제곱에 반비례합니다. 그래서 저는 이 'R2'에서 2를 2보다 약간 큰 숫자로 가정했습니다. 예를 들어, 약 2.000146입니다. 이 숫자는 정확하지 않지만, 어쨌든 지금은 중요하지 않다. 다만 만유인력의 법칙에서 이 거리 관련 숫자를 빼서 2가 아닌 2보다 약간 큰 숫자를 찾아 기존 공식에 대입하면 천왕성의 궤도를 설명할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

즉, 천왕성의 궤도를 정확하게 예측하기 위해 기존 법칙에 나타난 숫자 '2'보다 그 수가 얼마나 커야 하는지를 역산하여 '수정된' 만유인력의 법칙을 제안했다. 그것은 엄청난 계산 능력입니다. 컴퓨터가 없던 시절에 사람들이 이런 계산을 했다는 것은 정말 놀라운 일입니다.

이 과학자들은 쿤의 용어로 '분산 상상력'을 충분히 입증했다고 할 수 있다. 이론과 사실의 불일치는 기존의 만유인력의 법칙을 대체하는 새로운 만유인력의 법칙을 '제안'함으로써 깔끔하게 해결되었다.

하지만 언뜻 보면, 우리는 이렇게 생각할지도 모릅니다. 만약 여러분이 만유인력의 법칙을 조정하고 천왕성의 궤도를 이런 식으로 조정한다면, 다른 행성들의 궤도 예측은 어떻게 될까요? 그 예측도 잘못되고 있는 거 아니야?

그것은 아니다. 우리가 흔히 보는 태양계 모형(위 그림과 같이 태양계 내 행성들이 대략 비슷한 간격으로 배열된 모형)만 생각한다면 걱정할 만하지만, 실제로는 태양계가 그렇지 않다. 태양계의 행성들은 수성, 금성, 화성, 그리고 지구로 빽빽하게 채워져 있고, 목성, 토성, 천왕성은 각각 매우 멀리 떨어져 있습니다.

따라서 천왕성의 궤도를 맞추기 위해 중력의 법칙을 약간 수정하는 것은 우리의 예측에 실제로 영향을 미치지 않습니다. 더 정확히 말하면, '수정된' 중력의 법칙과 뉴턴의 원래 중력의 법칙의 차이는 너무 작아서 천왕성의 궤도를 설명할 때를 제외하고는 옛 중력의 법칙을 적용해도 괜찮았다.

천왕성의 궤도를 이런 '수정'으로 설명하는 것은 누구에게나 좋은 설명이다. 아니니? 과학의 상식적인 관점에 따르면 뉴턴의 만유인력의 법칙을 약간 바꾼 그 설명은 누구에게나 위대한 과학적 업적으로 보인다. 하지만 놀랍게도, 그 시대의 극소수의 과학자들만이 이 설명에 만족했다.

그 당시에, 대부분의 과학자들은 천왕성의 궤도 문제를 다른 방법으로 해결하기를 원했다. 다시 말해서, 이 아이디어는 뉴턴 역학을 변경하지 않고 (과학 철학자들이 '보조 가설'이라고 부르는) 추가적인 가정을 고안하고, 뉴턴 역학과 그러한 '가정'을 함께 고려하는 것이었다. 쿤의 방식으로 말하자면, 그것은 전형적인 '컨버전스 상상력'을 보여주는 방법이다.

결국, 만들어진 추가적인 가정, '보조 가설'은 성공적인 것으로 드러난다. 두 번째 가설은 천왕성 바깥에 새로운 행성이 있다는 것이고, 그것이 천왕성을 끌어당기는 것이다. 과학자들은 이런 보조 가설을 먼저 세운 뒤 행성이 천왕성을 끌어당기는 정도와 태양이 천왕성을 끌어당기는 정도를 더하면 관측된 천왕성의 궤도와 일치하기 위해서는 새로운 행성이 일정한 질량과 궤도를 가지고 있어야 한다는 것을 발견했다. 나는 그것이 얼마나 떨어질지 거꾸로 세어 보았다.

이 계산은 매우 복잡했음에 틀림없지만, 그 시대의 부지런한 두 과학자가 해냈다. 영국의 존 카우치 아담스와 프랑스의 우르뱅 르베리에가 각각 이 수학적 계산을 완성했고, 르베리에가 1846년에 그 결과를 발표했다. 그리고 나서 그는 천문학자들에게 하늘 어딘가에서 이 행성을 찾아보라고 말했다. 그래서 내가 하늘을 보았을 때, 나는 그 행성이 정말로 거기에 있다는 것을 보았다. 저건 넵튠이야.

해왕성의 발견은 당시 대중매체를 통해 널리 알려졌고, 당시 파리 천문대 책임자인 프랑수아 아라고는 르베리에를 "펜 끝으로 이 행성을 발견한 사람"이라고 칭송했으며, 사실 르베리에가 프랑스의 국가 위상을 높이는 데 기여한 공로를 인정받았다. 그는 또한 레지옹 도뇌르 훈장을 받았다.

그러나 해왕성의 발견이나 르 베리에의 연구는 단순히 뉴턴 역학을 위기에서 구하는 것으로 요약할 수 없다. 왜 그런지 생각해봐.

해왕성은 천왕성의 궤도 문제가 표면화되기 전까지는 이론적으로나 경험적으로 존재할 이유가 없었다. 즉, 해왕성은 당시 순전히 "천왕성의 궤도를 설명하기 위해", 혹은 "뉴턴 역학을 보존하면서 천왕성의 궤도를 설명하기 위해" 도입되었다.

따라서 어떤 과학적 실체가든 기존 이론을 구제하기 위한 '2차 가설'로 도입될 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요하다.

이것은 그 이후에 꽤 자주 일어난다. 뉴턴 역학과 같이 충분히 만족스러운 이론이 경험과 모순될 때, 과학자들은 그 이론을 폐기하기 보다는 해왕성과 같은 새로운 실체를 확립함으로써 문제를 해결하기로 선택한다. 그런 다음 관찰자에게 르 베리에가 했던 것처럼 이 실체를 찾아보라고 요청하십시오.

상식적으로 상당히 무리한 요구라고 밖에 생각할 수 없는 이 연구방식이 '해왕성의 발견' 못지않게 생산적인 경우가 많다는 점에 주목해야 한다.

결국 과학적 진보는 경험과 모순되는 이론을 버리고 새로운 이론을 찾는 과정을 통해서만 이루어지는 것이 아니라, 어떻게 해서든 기존 이론을 유지하려는 과정을 통해서도 이루어지는 경우가 많다. 쿤이 강조하는 융합적 상상력이 결정적인 역할을 하고 있음을 알 수 있다.

한 가지 짚고 넘어갈 게 있다. 하지만 왜 해왕성은 그때까지 전혀 관측되지 않았고, 르 베리에가 해왕성을 찾으라고 했을 때 발견되었습니다. 조금만 생각해보면, 이건 정말 이상한 일이 될 수 있어요.

망원경의 성능이나 관측 천문학자들의 능력이 하루아침에 급상승한 것은 아닐 것이다. 르베리에의 이론적인 예측 이전에는 볼 수 없었던 해왕성이 어떻게 그렇게 많은 사람들에게 갑자기 관측될 수 있었을까?

그 당시, 그것은 19세기였고, 수천 명의 사람들이 이미 하늘의 전 지역을 샅샅이 뒤지고 있었다. 하지만 왜 해왕성은 르베리에 이전에 존재하지 않았고, 그가 이론적 계산을 마치자마자 갑자기 나타났을까요? 마법이 일어난 것처럼 보이지만 실제로는 과학에서 흔히 있는 일이다.