케플러 법칙 자료
처음 차를 탔던 때를 기억하시나요? (아기였을 때 말고요.) 차가 움직일 때 나무나 건물이 움직이는 것처럼 보였을 거예요. 그때는 나무나 건물이 움직이는 줄 알았을지도 모르지만, 사실 차와 사람은 가만히 있었죠. 우리는 이런 착시 현상 을 매일 경험합니다. 매일 아침 해는 동쪽 지평선에서 "떠오르고", 오후에는 서쪽으로 이동하여 서쪽 지평선에서 "집니다". 마찬가지로 밤에는 달이 동쪽에서 서쪽으로 움직이는 것을 자주 볼 수 있습니다. 지구는 가만히 있는데 해와 달이 지구 주위를 돈다는 생각을 해본 적이 있나요?
고대 인류(기원후 초)는 태양, 달, 그리고 다른 천체들이 지구 주위를 공전하고 지구는 정지해 있다고 믿었습니다. 다시 말해, 지구가 우주의 중심이라고 여겼습니다(지구 중심설). 이러한 가정은 태양, 달, 별들이 움직이는 것을 매일 관찰하면서 지구는 정지해 있는 것처럼 인식했던 제한적인 인간의 감각 경험에 기반한 것이었습니다. 마치 움직이는 차 안에서 나무나 건물이 움직이는 것처럼 보이는 것과 비슷합니다. 지구가 우주의 중심이라는 생각은 기원전 2세기 그리스 천문학자 클라우디우스 프톨레마이오스(기원후 100~170년)에 의해 연구되고 발전되었으며, 이후 약 1400년 동안 널리 믿어졌습니다.
프톨레마이오스에 따르면 지구는 태양계의 중심에 있다. 태양과 행성들은 원형 궤도를 따라 공전하며(자전), 이 원의 중심은 지구를 중심으로 원형 궤도를 따라 공전한다(공전).
1543년, 폴란드 천문학자 니콜라우스 코페르니쿠스(1473~1543)는 태양이 태양계의 중심에 있다는 태양중심설을 제안했습니다. 지구를 포함한 행성들은 원형 궤도를 따라 공전하며(자전), 이 원의 중심은 태양 주위를 원형 궤도로 공전합니다(공전). 코페르니쿠스는 태양을 태양계의 중심에 놓는다는 점에서 프톨레마이오스보다 더 앞선 이해를 보여주었습니다. 그러나 코페르니쿠스 역시 행성 궤도를 설명하는 모델로 원을 사용했습니다.
유명한 덴마크 천문학자 티코 브라헤(1546~1601)는 맨눈으로 천체를 관측한 마지막 천문학자였다. 1576년부터 1599년까지 관측을 진행한 후, 브라헤는 독일의 천문학자이자 수학자인 요하네스 케플러(1571~1630)와 협력했다. 케플러는 브라헤의 조수였다. 하지만 브라헤가 사망하면서 두 사람의 협력은 오래가지 못했다. 브라헤 사후, 케플러는 스승이 얻은 천문 자료를 바탕으로 약 20년 동안 행성의 운동을 설명하는 수학적 모델을 개발하는 데 매진했다.
케플러의 첫 천문학 저서인 『우주의 신비』는 1596년에 출판되었습니다. 이 책에서 그는 코페르니쿠스의 행성 궤도와 티코 브라헤의 관측 사이의 조화를 찾으려 했습니다. 그러나 케플러는 코페르니쿠스와 프톨레마이오스가 제시한 모델과 티코 브라헤의 관측 사이의 조화를 찾지 못했습니다. 결국 그는 프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 모델을 버리고 새로운 모델을 모색했습니다. 1609년, 케플러는 타원이 티코 브라헤의 관측과 완벽하게 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이후 케플러는 천체의 궤도 모양으로 원이 아닌 타원을 사용하기 시작했습니다.
이 법칙은 아이작 뉴턴이 운동의 세 가지 법칙 과 만유인력의 법칙을 발표하기 반세기 전에 케플러가 제시한 것이다.
케플러의 제1법칙
각 행성이 태양 주위를 공전하는 경로i, 태양이 한 초점에 위치하는 타원형 모양입니다.
케플러의 제2법칙
태양과 행성을 연결하는 가상의 선은 동일한 시간 간격 동안 동일한 면적을 쓸어냅니다.
케플러의 제3법칙
주기의 제곱과 태양으로부터 행성까지의 평균 거리(T)의 세제곱의 비율2/r3)는 상수이며 모든 행성에 대해 동일한 값을 갖습니다.
