만유인력
코페르니쿠스가 처음으로 주장하여 과학계의 관심을 점차로 끌게 된 지동설은 티코 브라헤, 갈릴레이, 케플러 등이 관측 자료를 바탕으로 계승 발전시켰다. 이렇게 지동설이 세간의 주목을 끌게 되자 위기를 느낀 로마교황청에서 브루노를 화형에 처하고 갈릴레이에게는 지동설 지지를 철회하라고 압력을 가하였다. 또한 종교개혁을 주창하였던 루터와 켈빈 역시 지동설을 반대하고 유포되는 것을 금지하였다.
사정이 불리하게 돌아가자 과학계에서는 관측 데이터에 의해 입증된 지동설에 대한 이론적인 근거를 마련하려고 시도한 것으로 추측된다. 뉴턴이 다니던 캠브리지 대학교의 과학 교수, 학생들 역시 이론적인 근거 확립에 동참하였을 것이다.
이런 분위기에서 뉴턴은 케플러가 제안한 법칙들 즉 지구는 태양의 주위를 타원궤도를 그리며 공전하고 있으며(제 1 법칙) 일정시간 동안에 지구가 그리는 궤도의 면적은 동일하다(제 2법칙)를 설명하기 위하여 여러 가지로 실험, 관측 및 계산을 시도하였을 것이다.
아마도 그가 가졌던 의문은 이렇지 않았을까?
지구는 태양의 힘에 이끌리어 태양으로 떨어지지 않은데 사과는 왜 떨어질까?
달은 왜 지구의 주위를 돌고 있으며 화성은 왜 태양의 주위를 돌고 있을까?
등등.
공전하고 있는 지구와 중심에 있는 태양 사이에 존재하는 힘과 땅으로 떨어지는 사과와 지구 사이에 존재하는 힘은 동일하다는 가정을 하고 가능한 모델로 계산하여 만유인력이 모든 물체 사이에 존재한다는 법칙을 만들었을 것이다.
F = G (M1M2/R2)
지구, 달, 화성의 질량은 상대적으로 사과보다 크므로 사과와는 다르게 태양이나 지구로 떨어지지 않고 계속 공전을 하고 있다는 결론에서 나온 식으로 추정된다. 물론 공전하려면 원심력에 의한 속도가 상당히 커야 한다는 사실도 발견하였겠지. 그 당시에는 지구를 벗어나기 위하여 필요한 최소 속도 즉 탈출 속도(11.2km/초)에 도달하는 수단이 없었으므로 실제로 증명할 수는 없었다. 이 속도를 넘어 외계로 우주선을 발사시킨 것은 20세기 후반에 들어와서 가능하였다.(최초의 유인우주선은 1961년 4월 12일의 보스토크 1호이고 탑승자는 소련의 Y. A. 가가린이다.)
그리고 일정한 면적으로 공전한다는 것을 증명하기 위하서는 지구가 태양 주위를 공전할 때에 적용되는 관계식을 알아내어야 하고 면적을 구할 수 있는 새로운 분야 즉 적분에 대한 지식이 필요하다. 또한 관계식을 이용하여 예를 들면 하지 때 지구가 공전하는 속도 및 동지 때의 공전 속도를 계산하려면 적분과 밀접한 관계가 있는 미분이라는 개념이 필요하게 되었다. 우리가 학창 시절에 미적분으로 아주 고생을 한 원인 제공을 뉴턴이 한 셈이다. 물론 자연과학의 하나인 화학을 택하고 그 중에서도 수학 계산이 아주 많이 필요한 분광학에는 미적분의 이해 및 사용이 필수적이지만.
미분 계산을 사용하지 않아도 일상생활에는 아무런 문제가 없다. 그러나 우주공간에서 두 우주선(달을 떠난 착륙선과 달 주위를 공전하는 우주선이 서로 만나기(도킹) 위해서는 미분 계산에 의한 정확한 시공간에서의 순간 속도를 알아야한다.
결론적으로 지동설을 입증할 수 있는 이론(역학)을 만들기 위하여 노력하였던 그 당시의 여러 과학자들의 도움으로 뉴턴이 만들고 그 후 다듬어진 만유인력과 미적분 등의 새로운 학문이 오늘날 우리가 우주로 진출할 수 있는 토대를 만든 것이다. 물론 우주선을 제작하기 위한 첨단 재료의 개발도 당연히 필요하지만. 우주 진출은 총체적인 과학기술의 발전으로 이루어지고 있다. 그리고 이를 위한 신기술이 우리의 일상생활에도 응용되어 생활이 상상할 수 없을 정도로 대폭 변화되었다.
중력
중력은 고전역학에 의하면 만유인력이며 아인슈타인의 일반상대성이론에서는 공간의 왜곡으로 정의한다. 중력은 우주에 존재하는 네 가지 힘, 강력, 약력, 전자기력, 중력 중에서 가장 약하며 인력만 작용한다. 일반적으로 힘이 작용하면 입자가 방출한다. 전자기력이 작용하는 전자기장에서는 전자가 방출되고 강력에서는 중간자가 방출된다. 약력의 경우에는 중성미자가 방출되지만 중력장에서 방출되리라고 예상되는 중력자는 아직까지 관측되지 않고 있다.
만유인력에 의하여 우주의 움직임을 설명할 수 있다는 뉴턴의 주장은 몇 가지 관측 현상과는 부합되지 않았다. 태양에 가장 가까운 위치에서 회전하고 있는 수성의 공전은 뉴턴의 만유인력에서 상당히 벗어난다는 것이 관측되었다. 이 벗어남을 설명하기 위하여 새로운 행성이 존재하여 수성의 회전에 영향을 준다는 주장이 등장하였지만 새로운 행성을 찾을 수가 없었다. 또 다른 문제는 질량을 가지고 있지 않다고 생각되는 빛이 때로는 중력에 의하여 굴절되기도 한다는 현상의 관측이다. 이 문제들은 만유인력이 중력이라는 뉴턴 역학을 극복한 아인슈타인의 일반상대성이론에 의하여 해결되었다. 중력을 가진 물체는 주위 공간을 변형시킬 수 있다는 주장으로 빛이 변형된 공간을 따라 이동하므로 자연히 굴절한다고 설명한다. 실제로 일식이 일어났을 때 태양에 의한 빛의 굴절이 관측되었다. 중력이 아주 강하여 빛도 탈출하지 못하는 블랙홀 주위의 공간은 상상할 수 없을 정도로 왜곡되어 있다고 생각된다, 블랙홀 주위는 공간뿐만 아니라 시간도 왜곡되어 있다고 추정되며 이런 시공간의 왜곡이 먼 우주로의 여행이 가능하게 할 것이라는 조심스런 예상이 제기되고 있다.