장7 6장 천체 운동의 음악

인간에게 알려진 가장 장엄한 드라마 중 하나는 우리 태양계의 행성들이 궤도를 돌고 있는 개별적인 진보입니다.드라마는 항상 우리 눈앞에서 펼쳐집니다. 태양이 주연을 맡고 지구와 달을 포함한 행성들이 보조 역할을 합니다.인류는 오래전부터 이 연극을 마치 무대 위의 한 장면인 양 지켜봤다.하지만 휴먼 드라마 같지 않고, 시작과 끝이 정해져 있지 않고, 뻔한 줄거리도 없다.그러나 이러한 흥미진진한 사건들은 인류의 호기심을 불러일으켰고, 인류는 수천 년 동안 이 문제를 이해하려고 노력해 왔습니다. 수천 년 동안 인간은 하늘에 있는 물체와 그 행동을 이해하기 위해 주로 시와 종교적 단어를 사용했습니다.태양과 달은 모두 신이며 하늘은 그들이 발을 디딘 곳입니다.불과 300년 전, 케플러와 뉴턴이 행성 운동의 법칙을 파악했을 때, 인간은 자신이 보고 있는 것에 대한 일반적인 이해를 가지고 있었습니다.그런 다음 우리 세기에 구경꾼은 인공위성과 성간 로켓을 만드는 활동적인 실습이되었습니다.

많은 사람들이 인공위성이 밤하늘을 조용히 유영하는 것을 보았고, 인간이 예로부터 갈 수 없었던 영역에 성공적으로 진입했다는 생각에 깊은 감동과 충격을 받았습니다.동시에 우리는 인공위성이 세계의 하늘을 여행하기 위해 취하는 기이한 경로에 당황합니다.천상의 무대에 오르면 인공위성은 매우 정밀하게 행성과 달의 운동 법칙을 따릅니다.인간은 예로부터 자연의 관객일 뿐인데, 무대에서 공연하려면 먼저 대본의 규칙을 숙달해야 합니다. 천체의 움직임은 약 40억년 전 태양계가 생성된 이후로 거의 똑같습니다.이 끔찍하게 긴 기간 동안 천상의 인물들의 행동은 거의 항상 교육받은 관중에 의해 지켜지지 않습니다.약 10,000~15,000년 전에 인류는 이 위대한 드라마를 설명할 수 있었고 그 해석은 나중에 중국, 인도, 마야, 이집트, 바빌로니아의 고대 문화에 반영되었습니다.이 고대인들은 별의 움직임을 이해하려고 노력했을 뿐만 아니라 더 큰 무언가, 즉 전체 우주가 어떻게 존재하게 되었는지 설명하려고 노력했습니다.그들은 생생한 종교적 상상력으로 문제를 해결했고, 따라서 신들이 어떻게 세상을 창조했는지에 대한 가장 생생한 신화가 대대로 전해졌다.

기원전 6세기 그리스의 위대한 철학자 피타고라스와 그의 제자들은 신화의 망상을 깨고 처음으로 천국의 광경을 이성적으로 이해하려고 노력했습니다.그들은 하늘에 있는 빛의 움직임이 오직 수학, 숫자, 기하학에 의해서만 이해될 수 있다는 훌륭한 개념을 가지고 있었습니다.그들은 숫자가 모든 것의 본질이라고 믿고 저속함을 경멸하는 사업가들은 숫자를 사용하여 상품을 계산하고 이익을 얻을 줄 알뿐입니다 피타고라스 (Pythagoras)는 숫자가 자연과 우주를 이해하는 열쇠임을 세상에 가르쳤습니다.이것은 오늘날에도 여전히 널리 퍼져 있으며 사실 현대 과학적 사고의 시작입니다.피타고라스의 인물들은 수학을 하늘에 적용하여 하늘의 드라마에 대한 전례 없는 과학적 설명을 제공했습니다.

그들은 태양, 달, 행성이 지구 주위를 도는 것 같고 지구가 모든 것의 중심에 있는 것 같다고 믿습니다.그들은 각각 태양, 달, 육안으로 볼 수 있는 5개의 행성(수성, 금성, 화성, 목성, 토성)을 나타내는 8개의 동심원의 존재로 이 별들의 움직임을 설명했습니다. 고정된 모든 것을 휴대하십시오.중심에는 지구가 있고, 각각의 구체에는 별이 새겨져 있으며, 정해진 속도에 따라 천천히 돌고 돌고 있습니다. 피타고라스 학파 사람들은 각 구마다 부피를 정했는데, 이는 이 학파가 수의 조화에 큰 관심을 기울였음을 보여줍니다.실제로, 그들의 가장 소중한 보물 중 하나는 스승이 발견한 수학적 조화였습니다.피타고라스는 여러 현의 길이가 일련의 단순한 숫자 음정을 표현하기 때문에 화음이 생성된다는 사실을 발견했습니다.그들은 하프와 같은 악기의 현이 길이가 증가함에 따라 부피가 증가하는 방식으로 행성체의 부피가 하나씩 증가한다고 가정합니다.그러나 그들은 하늘의 구체가 가장 맑은 수정으로 만들어졌다고 생각했고, 이 유리 종 모양의 구체가 장엄하게 움직일 때 서로 부딪치며 조화로운 음악을 만들었습니다. 들을 수.이것은 유명한 천체 조화 이론입니다.

천체의 작용에 대한 피타고라스 학파의 설명은 현대 과학적 사고와 일치하기에는 시인의 변덕과 너무 흡사합니다.그러나 그것은 행성이 행동이 변덕스러운 신이라는 생각보다 훨씬 더 현실적입니다.인류가 별의 움직임을 설명하기 위해 정수론을 사용한 것은 이번이 처음이다. 피타고라스 학파의 길을 따라가면 하늘의 수수께끼를 정확히 푸는 데 250년밖에 걸리지 않았다 이 수수께끼는 그리스 천문학자와 사미안 아리스타르코스가 예수 안에서 제시한 수수께끼가 탄생하기 280년 전에 제안되었다 .Aristarches는 태양이 중심에 있고 우리 자신의 지구를 포함한 행성들이 이 중심 불 주위를 큰 궤도를 돌고 있다고 말합니다.따라서 Aristarches는 하늘의 위대한 그림을 처음으로 명확하고 정확하게 묘사했습니다.이것은 놀라운 지적 업적이지만 세상은 너무 어려서 그것을 감사하고 받아들일 수 없습니다.이 위대한 사상가의 선견지명은 거의 2000년 동안 잊혀져 왔으며 고대 후기와 중세 시대에는 아무도 그것을 언급하지 않았습니다.세상 사람들의 마음 속에는 지구가 여전히 우주의 중심에 서 있고, 자연의 위대함은 항상 오해를 받아 왔습니다.

하늘에 대한 중세의 생각은 르네상스의 명석한 사상가들에 의해 마침내 무시되었습니다.번영과 쇠퇴의 해는 1543입니다. 올해 니콜라스.코페르니쿠스는 천체의 회전에 관한 주요 작업을 발표했습니다.이 책은 그가 생전에 교회의 사제들과 평신도들이 주장한 절대적 진리에 반대되는 견해를 감히 내세우지 않았기 때문에 그가 죽은 후에 출판되었습니다.코페르니쿠스는 2,000년 전의 아리스타르케스와 마찬가지로 태양을 행성계의 중심으로 묘사했습니다.이 생각은 확고한 발판을 마련했고 인간 사고의 대혁명의 시작이 되었습니다.하늘에서 펼쳐지는 광대한 묘기가 드디어 모습을 드러냈다.그러나 이것은 이해의 시작일 뿐이고 더 자세한 세부 사항은 여전히 ​​모호합니다.

고대 천문학자들은 행성의 경로가 원을 형성한다는 것을 당연하게 여겼습니다.그들은 수치적으로 완벽한 원과 신성한 조화만이 천체의 궤도로 충분하다고 믿었습니다.코페르니쿠스조차도 모든 행성과 위성의 궤도가 정확한 수학적 원이라고 믿었습니다.그러나 나중에 행성의 움직임이 인간이 상상한 원형 선을 따르지 않는다는 사실이 밝혀졌고, 자연의 수학은 인간이 상상했던 것보다 더 복잡했습니다.독일 요하네스.코페르니쿠스보다 30년 뒤에 태어난 요하네스 케플러는 행성의 운동을 만족스럽게 처음으로 설명했습니다.그의 이해는 공들여 수집한 Tycho를 기반으로 합니다.티코 브라헤(Tycho Brahe) 등이 장기간에 걸쳐 상세하고 정밀하게 천체를 관찰한 결과입니다.

케플러는 몇 가지 유명한 법칙을 제안했는데 첫 번째 법칙은 천체의 궤도가 원형이 아니라 모두 타원형이라는 것입니다.타원의 모양은 설명하기 어려우며 반드시 보고 이해하고 느껴야 합니다.타원은 양면의 압력에 의해 납작해진 원과 비슷하지만 그것이 제안하는 것보다 더 우아합니다.곡률은 원의 모든 곳에서 동일하지만 타원의 곡률은 조금씩 조금씩 변화합니다.타원에도 중심이 있지만 지름은 방향에 따라 다릅니다.가장 긴 지름을 장축이라고 하고 장축에 수직인 지름을 가장 짧은 지름으로 단축이라고 합니다. 각 타원에는 장축에 있고 중심에서 등거리에 있는 두 개의 뚜렷한 점이 있습니다.초점이라고 하는 이 두 점은 타원의 이상한 기하학적 법칙을 표현합니다.원주에서 임의의 점을 선택하고 각각 초점에 도달하는 두 개의 선을 그리고 원의 다른 점을 선택하고 각각 초점에 도달하는 두 개의 선을 그립니다.측정하자마자 원주의 이 두 점에서 그은 두 직선의 총 길이가 같다는 것을 알 수 있습니다.이것은 타원의 원주에 있는 임의의 두 점에서 그은 모든 선에 해당되며 실제로 수학자들이 타원을 정의하는 방식도 마찬가지입니다.

타원의 기하학적 특성에 대한 간략한 설명 후에 케플러와 그의 첫 번째 법칙으로 돌아갑니다.이 법칙의 전문은 다음과 같습니다. 각 행성의 궤도는 두 초점 중 하나에 태양이 있는 타원입니다.이 법칙은 또한 타원 궤도에서 주변을 비행하는 모든 행성의 위성에도 적용됩니다. 각 행성은 항상 위성 타원 궤도의 두 초점 중 하나에 있습니다. 태양 주위를 도는 지구의 궤도는 타원형이며 완전한 원과 약간 다를 뿐입니다. (다른 행성도 마찬가지다. 고대인들이 항상 궤도가 원형이라고 생각한 것도 당연하다.) 지구의 궤도는 타원이기 때문에 태양은 타원의 중심에 있지 않다. 지구가 태양 주위를 공전하듯이, 태양과의 거리는 점차 변합니다.지구가 어느 한 지점으로 날아가면 태양과 가장 가까워지는데, 이 지점을 근일점이라고 합니다.지구가 태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 지점을 원일점이라고 합니다.

케플러의 제1법칙은 천체의 궤도 모양을 설명하고, 제2법칙은 천체가 궤도를 돌고 도는 속도에 관한 것입니다.그것은 과거의 천문학자들이 틀렸다는 것을 증명합니다.그 사람들은 행성과 위성이 일정한 속도로 꾸준히 회전하고 있다고 생각했지만 케플러는 행성과 위성의 속도가 끊임없이 변한다는 사실을 발견했습니다.예를 들어, 지구가 궤도의 근일점을 통과할 때 가장 빠르게 비행한 다음 원일점을 통과할 때까지 점차 속도를 줄여 속도가 가장 작아집니다.행성들은 어린아이의 요요처럼 태양 주위를 공전하며, 수직 원을 그리며 느리게 회전하고, 천천히 위로 올라갔다가 궤도의 바닥을 빠르게 통과합니다.케플러의 두 번째 법칙은 이 끊임없이 변화하는 속도를 수학 용어로 설명합니다.

케플러의 법칙은 인류의 승리였습니다. 극장 관객들은 자연이 천상의 무대에서 펼쳐지는 드라마의 적어도 일부, 즉 행성이 실제로 움직이는 방식을 이해했습니다.그럼에도 불구하고 큰 질문이 남아 있습니다. 지구상에서 행성이 움직이는 이유는 무엇입니까?답을 찾은 사람은 코페르니쿠스가 사망하고 그의 유명한 저작이 출판된 지 꼭 100년이 지난 1643년에 태어났다.이 사람은 영국에서 온 이삭입니다.우주의 기본 원리인 중력의 법칙을 발견한 아이작 뉴턴 경. 전설에 따르면 뉴턴은 사과나무 아래에 앉아 사과가 떨어지는 것을 보았다.그는 사과를 떨어뜨리는 힘이 행성과 위성을 궤도에 유지시키는 힘과 같다는 사실에 놀랐습니다.이 일화는 완전히 조작된 것일 수 있지만 18세기 프랑스의 현인 볼테르는 그 이야기가 사실이 아니라면 조작된 것이라고 말했습니다.유명한 뉴턴 숭배자였던 볼테르가 그 이야기를 상상했을 수도 있습니다.그러나 그것은 중요하지 않았습니다; 뉴턴은 중력의 개념을 생각하고 중력의 법칙을 공식화하여 인류 역사상 가장 위대한 인물 중 하나가 되었습니다. 우리는 여기서 뉴턴의 법칙이 수학적으로 얼마나 위대한지 논의하지 않고 행성과 위성이 왜 그렇게 움직이는지 알 수 있는 지점까지만 그의 추론을 따를 뿐입니다.우리는 또한 뉴턴이 먼저 개념을 제안하지 않고는 인공위성을 궤도에 진입시키고 지구 주위를 비행하게 하는 방법을 이해하지 못할 것임을 스스로에게 분명히 하고 싶습니다. 중력은 우주의 모든 물체 사이에 끌어당기는 힘입니다. 태양, 행성, 위성, 심지어 사과까지 모두 중력을 가지고 있습니다.뉴턴은 우리가 각 물체의 질량(물질의 양)과 각 물체 사이의 거리를 알고 있는 한 중력의 크기를 계산할 수 있음을 보여주었습니다. 중력이 지구와 태양에 어떤 영향을 미치는지 살펴봅시다.이 두 물체 사이에는 큰 인력이 있지만 지구는 움직이고 있기 때문에 이 지속적인 인력에 저항할 수 있습니다.지구가 궤도에서 갑자기 움직임을 멈추면 태양을 향해 떨어지기 시작하고(즉, 태양에 이끌려) 약 두 달 동안 점점 더 빠르게 떨어지다가 태양에 삼켜지게 됩니다.반대로 태양이 갑자기 사라지면 지구는 즉시 타원 궤도의 움직임을 멈출 것입니다. 직선으로 이동하여 우주 깊은 곳으로 날아갈 것입니다.현재 상황에 관한 한, 지구의 궤도는 지구 운동의 관성과 중력의 동시 작용에 의해 발생합니다.지구는 외력에 의해 끊임없이 찢어지고 똑바로 날 수 없기 때문에 비행 경로가 닫힌 궤도를 형성한다고 할 수 있습니다. 그런 다음 뉴턴은 중력을 사용하여 케플러의 행성 운동 법칙을 추론했습니다.뉴턴이 고안한 공식에는 중력의 법칙, 태양과 행성의 질량, 천체 사이의 거리, 자전 시간이 포함되었습니다.이와 같이 무수한 물질에 의해 구형으로 응축된 행성과 그 위성이 어떻게 정확한 경로를 따라 우주에서 수억 마일을 비행하는지 수학적으로 나타낼 수 있습니다. 뉴턴을 존경했던 한 천재는 뉴턴이 가장 운이 좋은 사람이라고 말했습니다. 이제 로켓 엔지니어가 인공위성을 하늘로 쏠 때 케플러와 뉴턴이 발견한 법칙을 따릅니다.인공위성은 작지만 지구 주위를 도는 운동은 지구가 태양 주위를 도는 것과 같습니다.각 인공위성의 궤도는 타원이다. 인공위성을 지상에서 수백 마일 상공 궤도에 진입시키려면 지구의 중력이 매우 강하기 때문에 시속 17,000마일의 속도에 도달해야 합니다.인공위성은 이 강력한 중력에 대응하기 위해 큰 미는 힘을 받아야 하며, 이 미는 힘을 생성하기에 충분하려면 3단 또는 4단의 로켓이 필요합니다.요령은 로켓의 각 단계를 관리하여 인공위성을 올바른 고도, 올바른 속도, 올바른 방향으로 궤도에 진입시키는 것입니다.뉴턴의 방정식은 다음과 같이 알려줍니다. 이 세 가지 조건은 위성의 궤도를 결정하는 세 가지 조건이며 위성은 이 세 가지 조건에 의해 지배되어야 합니다. 인공위성을 발사하는 로켓은 인공위성 궤도의 모양과 크기, 위치가 전적으로 로켓에 의해 결정되기 때문에 극도로 정밀하게 조작해야 한다. 속도와 방향에 따라 위성의 궤도가 그에 따라 변경됩니다.일부 위성 발사는 실패했지만 로켓의 모든 단계는 처음부터 끝까지 작동했습니다.이는 종종 로켓이 위성을 잘못된 방향으로 궤도에 진입시키거나 위성에 적절한 속도를 제공하지 않기 때문에 발생합니다.그 결과 인공위성은 공기와 마찰하면서 엄청난 열을 발생시켰고 주위에서 불타는 별처럼 잿더미로 변했습니다. 위성의 타원궤도는 두 개의 초점을 가지고 있는데 그 중 하나만 지구의 중심에 있기 때문에 지구에서는 위성궤도의 위치가 원의 중심을 도는 원처럼 평평하지 않고 오히려 비뚤어진.궤도에서 지구와 가장 가까운 지점을 근지점이라고 합니다.이것의 반대는 원점이라고 불리는 지구에서 가장 먼 궤도의 지점입니다. 이제 우리는 특정 조건에서 움직이는 위성의 예를 상상합니다.위성이 수직선을 직각으로 가로지르는 방향으로 지구 위 300마일의 고도에서 궤도에 진입했다고 가정합니다.300마일의 고도에서는 대기의 저항이 거의 존재하지 않습니다.위성이 로켓에서 궤도로 발사되는 속도는 정확히 시속 19,000마일로 가정됩니다.이 속도는 지구의 중력에 대항하는 데 필요한 속도를 초과합니다.인공위성은 호를 따라 고요하게 솟아올랐고, 중력에 이끌리면서 끊임없이 감속했습니다.마지막으로 발사 지점 바로 맞은편(위성이 로켓을 떠난 지점) 약 1,400마일의 고도에서 궤도에서 가장 높은 지점인 원점에 도달합니다.그러면 위성은 타원궤도의 하강호를 따라 하강하지 않고 케플러의 제2법칙에 따라 점점 더 빠르게 하강한다.그것은 지구 주위를 돌고 계속 가속하며 지구에서 300마일 상공에 있는 발사 지점(궤도의 근지점)에 도달하면 처음과 동일한 시속 19,000마일의 속도로 다시 이동합니다.그래서 두 번째 원을 시작했습니다. 소련과 영국이 발사한 최초의 인공위성은 300마일 미만의 고도에서 궤도에 진입했습니다.이 고도에서는 대기에 분자가 너무 많지는 않지만 미미하지만 눈에 띄는 마찰을 일으키기에 충분합니다.이 인공위성이 계속해서 지구 궤도를 돌 때 약간의 마찰이 영향을 미쳐 점차 위성의 움직임을 소모하여 궤도가 점차 줄어들고 위성이 지구에 점점 더 가까워졌습니다.인공위성의 수명은 불과 몇 주 또는 몇 달에 불과하며, 결국 점점 더 조밀하고 밀도가 높은 대기에 진입하면서 타버린다. 성공적으로 발사된 최초의 뱅가드 위성은 크기가 후안(캘리포니아에서 자라는 자몽과 같은 과일) 정도였으며 그 궤도는 매우 넓었습니다.그것의 근지점은 대기의 치명적인 잡아당김을 피하면서 지상에서 300마일 이상 떨어져 있습니다.이 작은 위성은 100년 이상 지구 궤도를 돌 것으로 예상됩니다.인간을 천체의 지위로 끌어올린 이 공은 자연의 드라마에서 역할을 했으며, 공이 하늘로 올라가는 것을 본 사람들보다 오래 살았습니다. 원리적으로는 천체역학의 창시자인 케플러와 뉴턴은 천체의 운동에 대해 모든 것을 알고 있었다.그러나 그 시대에 사람들은 전기를 사용하지 않았고 증기 기관은 여전히 ​​100년 이상 떨어져 있었습니다.케플러와 뉴턴은 깃펜과 촛불로 자연법칙을 썼다.그러나 이 두 명의 위대한 철학자가 천문학의 기초를 놓았고 우주 정복은 현대 시대의 가장 흥미로운 기술 발전과 함께 시작되었습니다.