오늘 소개할 인물은 인류 역사상 수많은 천재들 가운데서도 가장 위대한 물리학자로 꼽히는 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)이다. 본 글은 게일 E. 크리스천슨 저, 정소영 번역의 서적 『뉴턴: 어떻게 만유인력을 알아냈을까?』(바다출판사, 2025)를 참고하여 정리하였다.

대다수 물리학자에게 "가장 뛰어난 물리학자가 누구인가?"를 묻는다면 주저 없이 뉴턴의 이름을 떠올릴 것이다. 20세기 러시아의 천재 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)는 물리학자들의 지적 능력과 업적을 나름의 척도(로그 스케일로 숫자가 낮을수록 뛰어남)로 매긴 적이 있다. 그는 양자역학의 개척자인 하이젠베르크와 디랙에게 '1', 아인슈타인에게 '0.5'를 부여했고, 자신은 '2'로 낮추어 평가하면서도, 뉴턴에게는 유일하게 가장 최고 등급인 '0'을 부여했다. 그만큼 아이작 뉴턴은 자타가 공인하는 불세출의 석학이다.

1. 고전역학의 완성자이자 다방면의 천재

뉴턴은 원자 스케일의 양자역학과 우주 스케일의 상대성이론이 등장하기 전, 자연 현상을 설명하는 고전역학의 체계를 완성한 인물이다. 그는 보편적인 중력 법칙(만유인력)을 수학적으로 정립했으며, 현대 과학과 공학의 토대가 된 미적분학(Calculus)을 창시했다.

뉴턴의 비범함은 이론 연구에만 머물지 않았다. 그는 관찰과 실험, 공학적 제작에도 탁월한 재능을 보였다.

• 광학 및 실험 기구 개발: 렌즈의 색수차 문제를 해결하기 위해 금속 거울을 이용한 뉴턴식 반사망원경을 고안·제작했으며, 프리즘을 통해 빛의 스펙트럼 현상을 명쾌히 규명했다.

• 물리 및 수학적 통찰: 소리의 속도를 이론적으로 계산하려 시도했고, 회전하는 공이 휘어지는 '마그누스 효과'의 기본 원리를 통찰했다. 또한 함수의 근을 찾는 '뉴턴-랩슨 방법(Newton's method)'은 오늘날 컴퓨터 수치해석 및 프로그래밍 알고리즘의 기초로 널리 쓰인다.

• 생리학적 예측: 인체가 감각 정보를 전달하고 근육을 움직이는 과정에 '전기적 신호'가 관여할 것이라는 놀라운 가설을 당시 시대에 이미 제시하기도 했다.

말년에 출간한 명저 『광학(Opticks)』에서는 빛이 프리즘을 통과하며 무지개색으로 분산되는 원리를 설명함과 동시에, 빛의 입자적 성질과 파동적 성질을 함께 언급했다. 빛의 이중성이 현대 양자역학의 핵심 원리임을 감안할 때, 일각에서 뉴턴을 '선구적인 양자 물리학자'로 부르는 것도 무리는 아니다.

무엇보다 뉴턴이 위대한 이유는 "지상에 떨어지는 사과의 운동과 하늘에 떠 있는 달·행성의 운동이 본질적으로 동일한 물리 법칙(중력)에 지배된다"는 사실을 밝혀내어 천상계와 지상계의 역학을 하나로 통합했다는 점이다.

 

2. 고독했던 유년기와 '기적의 해(1665~1666)'

뉴턴은 갈릴레오 갈릴레이가 세상을 떠난 해인 1642년 크리스마스 무렵 잉글랜드 동부 울즈소프에서 태어났다. 이전 시대를 대표하던 갈릴레오의 과학이 뉴턴의 탄생으로 이어져 새롭게 꽃피웠다는 상징적인 의미를 지니는 대목이다.

뉴턴은 아버지가 사망한 후 태어난 유복자였으며, 찻주전자에 들어갈 수 있을 정도로 작고 허약한 미숙아로 태어났다. 엎친 데 덮친 격으로 어머니가 곧 재혼하면서 뉴턴은 외할머니 손에 맡겨져 자랐고, 유년 시절 어머니의 따뜻한 사랑을 충분히 받지 못한 채 고독하게 성장했다. (그의 아버지는 시골이었지만 상당한 규모의 장원을 소유한 부유한 농부였다.)

어린 시절 뉴턴은 인근 그랜섬의 '킹스스쿨(The King's School, Grantham)'에 입학했다. 손재주가 남달랐던 그는 쥐의 움직임으로 돌아가는 물레방아 모형, 정확한 해시계, 물방울이 떨어지며 바늘을 움직이는 정교한 물시계를 직접 만들었다. 킹스스쿨에는 지금도 그가 칼로 새겨 넣은 "I Newton"이라는 서명이 남아 있다.

어머니는 뉴턴이 학업을 그만두고 가업인 농사를 짓길 원했으나, 뉴턴의 비범한 재능을 알아본 교장 선생님이 어머니에게 20실링을 쥐여주며 "이 아이는 반드시 대학에 진학해 공부를 이어가야 한다"고 적극 설득했다. 결국 뉴턴은 1661년 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지에 입학하게 된다.

그러나 어머니는 학비를 충분히 지원해주지 않았고, 뉴턴은 부유한 동료 학생들을 깨워주거나 교수들의 잔심부름을 해주는 근로 장학생(사이저, Sizar)으로 생활비를 벌며 힘겹게 공부했다. 이러한 역경 속에서도 그는 유클리드 기하학과 최신 자연철학을 독학으로 통달했다.

1665년 런던에 흑사병이 대유행하자 대학이 폐쇄되었고, 뉴턴은 고향 시골집으로 내려와 약 2년 동안 홀로 연구에 몰두했다. 훗날 '기적의 해(Annus Mirabilis)'로 불리는 이 기간 동안, 그는 미적분학의 기초(유율법)를 정립하고, 빛과 광학의 비밀을 파헤쳤으며, 떨어지는 사과를 보며 지구의 중력이 달의 궤도 운동까지 미친다는 통찰을 얻었다.

3. 빛의 혁명, 반사망원경, 그리고 『프린키피아』

고향에서 돌아온 뉴턴은 프리즘 실험을 통해 당시 과학계를 뒤흔들었다. 당대 학자들은 백색광(무색의 빛)이 가장 순수한 형태이며, 프리즘을 통과하면서 불순물이 섞여 색깔이 생긴다고 믿었다. 그러나 뉴턴은 하나의 프리즘으로 분산시킨 무지개색 빛을 거꾸로 놓은 두 번째 프리즘에 통과시켜 다시 순수한 백색광으로 합성해내는 실험을 성공시켰다. 백색광이야말로 모든 색의 빛이 섞인 합성광임을 증명한 것이다.

그의 천재성을 알아본 케임브리지 대학의 수학 석좌교수 아이작 배로(Isaac Barrow)는 국왕 찰스 2세의 전속 사제직을 맡아 대학을 떠나면서, 불과 27세였던 제자 뉴턴을 자신의 후임(루카스 수학 석좌교수)으로 전격 추천했다. 이 무렵 그려진 초상화를 보면 뉴턴은 가발을 쓰지 않은 젊은 나이임에도 극심한 두뇌 활동으로 인해 머리가 백발로 변해 있는 모습을 볼 수 있다.

1668~1669년, 뉴턴은 렌즈 굴절에 의한 색수차(빛의 파장별 굴절률 차이로 초점이 어긋나는 현상)를 없애기 위해 오목거울의 반사를 이용한 반사망원경을 세계 최초로 실용화했다. 직접 금속 합금을 조합해 거울을 연마하여 만든 이 망원경은 찰스 2세의 큰 찬사를 받았고, 뉴턴은 이를 계기로 영국 왕립학회 회원으로 추대되었다.

이후 1684년, 천문학자 에드먼드 핼리(Edmond Halley)가 로버트 훅과의 논쟁 끝에 뉴턴을 찾아와 "태양의 인력이 역제곱으로 작용할 때 행성은 어떤 궤도를 그리겠는가?"라고 물었다. 뉴턴은 일말의 망설임도 없이 "타원 궤도입니다. 이미 오래전에 계산해 두었습니다"라고 답했다. 핼리의 적극적인 설득과 전액 재정 지원에 힘입어, 뉴턴은 3년간의 집필 끝에 인류 역사를 바꾼 위대한 저작 『프린키피아(Principia, 자연철학의 수학적 원리)』(1687)를 세상에 내놓게 되었다.

말년에 뉴턴은 케임브리지 대학을 대표하는 하원의원으로 선출되기도 했다. 하지만 그는 의정 활동 내내 거의 침묵을 지켰으며, 회의 도중 경비원에게 *"추우니 문 좀 닫아 주시오"*라고 말한 것이 유일한 의회 발언이었다는 일화가 전해진다.

 

4. 숨겨진 이면: 연금술과 미시 세계에 대한 열망

근대 과학의 문을 연 위대한 뉴턴에게는 현대 과학자들의 고개를 갸우뚱하게 만드는 은밀한 이면이 있었다. 바로 연금술(Alchemy)과 성경 연구에 쏟아부은 방대한 세월이다.

뉴턴은 대학 시절부터 '생각의 샘'이라 불리는 노트를 비롯해 수백 페이지에 달하는 방대한 연금술 저술을 남겼다. 사후 그의 유골과 머리카락에서 높은 농도의 수은이 검출된 것은 그가 오랫동안 밀실에서 직접 유독성 금속 물질을 다루는 연금술 실험을 진행했음을 방증한다. 한때 절친했던 정치철학자 존 로크(John Locke)에게 보낸 비이성적이고 공격적인 편지 역시 수은 중독에 따른 신경 이상 증세 때문이었을 것으로 추정된다.

뉴턴은 왜 그토록 연금술에 매달렸을까? 만유인력으로 거시적인 우주의 보편 법칙을 규명한 뉴턴은, 물질의 변환을 관장하는 미시 세계의 비밀까지 밝혀내어 우주 전체를 관통하는 궁극의 '대통일 원리'를 완성하고자 했던 거대한 지적 포부를 품었던 것으로 해석할 수 있다.

 

5. 신학자 뉴턴과 2060년의 예언

놀랍게도 뉴턴이 남긴 저작 중 가장 많은 분량을 차지하는 것은 물리학이 아닌 성경 및 신학 연구였다. 그는 당대의 어떤 전문 신학자보다 구약과 신약 성경을 깊이 연구했다.

하지만 뉴턴의 종교관은 당시 영국 국교회의 관점에서 볼 때 사형에 처해질 수도 있는 위험한 '비삼위일체론(유니테리언)'이었다. 그는 성부·성자·성령이 하나라는 삼위일체 교리가 십계명의 제1계명("너는 나 외에는 다른 신들을 네게 두지 말라")을 위배하는 후대의 왜곡이라고 보았다. 오직 창조주 하나님만이 유일신이라는 신념 때문에, 그는 교수 임용 시 관례였던 사제 서품을 끝내 기피했고 임종 순간에도 교회의 마지막 종교의식을 거부했다.

또한 뉴턴은 성경의 다니엘서와 요한계시록 등 예언서를 치밀하게 수치화하여 인류의 역사를 연대기별로 재구성했다. 그는 성경 텍스트에 암호화된 시간 구조를 면밀히 분석한 끝에, 세상의 한 시대가 끝나고 신의 심판과 평화의 왕국이 도래하는 시점을 '2060년' 전후로 계산해 기록으로 남겼다. 과학적 예측은 아니지만, 당대 최고의 지성이 성경을 수학적·역사적으로 해석하려 했던 흥미로운 시도였다.

나가며

아이작 뉴턴은 과학사에서 그 누구도 범접하기 힘든 위대한 금자탑을 쌓아 올린 영웅이다. 비록 인간적으로는 폐쇄적이고 예민한 면모가 있었고, 연금술과 신비주의적 성경 해석에 깊이 몰두하기도 했지만, 이는 17세기라는 과도기적 시대 배경 속에서 '신의 섭리와 우주의 진리'를 온몸으로 규명하고자 했던 한 천재의 전방위적 탐구 여정으로 이해하는 것이 마땅할 것이다.

글: 김대성 기자 ([email protected])