지구 공전에서 구심력과 원심력이 다른데 지구는 왜 태양에 빨려들거나 이탈하지 않을까?

지구의 공전운동에서 구심력과 원심력은 작용과 반작용으로서 크기가 항상 같고 방향이 반대여야 한다. 그런데 지구의 공전에서 구심력의 공식과 원심력의 공식이 따로 존재한다는 것은 두 개의 힘의 크기가 같지 않게 되는 모순이 생긴다. 그렇다면 구심력의 공식과 원심력의 공식 중에서 하나를 버려야 하는데 어느 것을 버려야 할까?

뉴턴 역학에서는 지구와 태양사이의 구심력이 지구중력이며 이러한 힘을 만유인력이라고 한다. 어떻게 보면 태양을 중심으로 회전하는 지구는 구심력과 원심력이 장력을 사이에 두고 상호 반대방향으로 작용하는 것처럼 보인다. 마치 우리가 돌멩이를 줄에 매달아 회전을 시키면 구심력과 원심력이 함께 작용하는 것처럼 말이다. 그런데 문제는 우리가 줄에 매달고 회전시키는 돌멩이와 지구가 태양에 매달려 회전하는 야태는 동일한 방식이 아니라는데 있다. 각각 회전하는 기준이 다르다. 만약 줄에 매달아 회전시키는 돌멩이를 무중력상태의 우주 공간에서 수행하면 그 힘은 어떻게 될까?

지구에서 돌멩이를 회전시킬 때는 지구중력의 영향도 동시에 받는다. 그래서 회전반경이 아래쪽일 때는 지구중력 질량인 mg를 더해줘야 하고, 위쪽에서는 -mg를 더해줘야 한다. 이러한 기준계를 관성기준계라고 한다. 이는 지구중력이라는 관성력이 가해지는 상태에서 또 다른 관성력인 구심력과 원심력이 작용하는 상태이기 때문이다. 반면에 우주공간의 무중력 상태에서는 지구중력 질량 mg를 더하거나 뺄 수 없다. 이러한 기준계를 비관성기준계라고 한다. 여기서 도 다른 기준계 하나를 생각해 볼 수 있는데 태양을 중심으로 지구가 공전하므로 태양관성기준계를 고려해 볼 수 있다.

지구의 공전운동을 지상에서 돌멩이를 줄에 메달아 회전시키듯이 단순하게 태양이라는 중심 줄에 매달려 회전하는 것으로 묘사 할 수 있지만, 이는 한 가지만 생각한 것이다. 좀 더 정확도를 높이려면 태양중력, 지구중력, 기타 태양계의 여러 행성들의 중력 값들도 고려해야 한다.

뉴턴역학이라고 하는 고전역학이 상대성이론으로 대치되면서 바뀌게 된 큰 차이는 기준계의 다양성이다. 고전적으로는 우주의 중심이 태양이었지만, 현대의 과학은 우주의 중심이 어디에도 없다는 결론을 내렸다. 이것이 소위 균질하면서도 등방적인 프리드먼의우주이다. 지구에서는 해가 뜨는 쪽이 항상 일정하므로 해가 떠오르는 쪽을 동쪽이라고 하고, 나침반의 지침이 항상 남북을 가리키므로 남쪽과 북쪽을 정할 수 있지만, 태양계를 벗어나 먼 우주로 나가면 해 뜨는 쪽도 없으며, 나침반이 가리키는 방향도 없어진다. 무중력 상태의 우주공간에서 동서남북이나 위아래 기준을 무엇으로 정하겠는가? 인류가 발견하고 발전시켜 나가고 있는 각종 물리법칙들은 절대적으로 존재하는 것이라기보다는 인간이 자연의 패턴들을 잘 관찰하여 인지한 사항들을 인간의 관점에서 표현한 것들이다.

그러므로 우리는 현재까지 인류가 발견해낸 범위 내에서 우주의 원리를 논할 수 밖에 없는데, 지구가 태양을 중심으로 회전하기 때문에 발생하는 구심력은 지구만의 만유인력이자 중력이자 곤성력이다. 반작용은 없다. 수식으로 표현하면 지구의 구심력=만유인력=지구중력이 된다. 이와 같이 지구 중력이 인력만 있고 척력이 없는 이유는 자기력이 쌍극이 아니고 홀극인 이유와 더불어 과학계가 밝혀야 할 과제이다.

다만 지금까지의 과학지식으로 볼 때, 지구 공전의 구심력이 오로지 태양을 중심으로 한 회전에 의한 것이라면, 지구공전의 원심력은 태양만의 영향을 받는 것이 아니라 태양계 여러 행성들의 회전운동에도 영향을 받는 것으로 추정된다. 특히 목성은 중력이 크기 때문에 지구 공전의 원심력에 영향을 미치는 것으로 보인다. 이러한 이류로 지구 공전의 구심력과 원심력은 다르기 때문에 버려야 할 공식은 없다.