[우주의 운동 2] 천동설과 지동설

[우주의 운동 2] 천동설과 지동설

태양은 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지고 밤하늘의 별들은 북극성을 원점으로 해서 서에서 동으로 한바퀴 돈다. 달은 항상 똑같은 모습이 아니라 거의 30일 을 주기로 찼다가 기울었다 가를 반복하고 하루에 뜨는 시간이 50분씩 늦어지 는 운동을 한다. 이것이 우리 주위에서 흔히 발견될 수 있는 천체의 운동인 것이다. 이것을 우리는 어떻게 해석할 것인가?

먼저 태양을 보면 매일 동쪽으로 떴다가 서쪽으로 지므로 지구 주위를 매일 한 바퀴씩 돈다고 가정할 수 있을 것이다. 그렇다면 좀더 대담하게 지구가 우주의 중심이고 지구 주위를 모든 별들이 돈다고 생각하면 태양의 운동이나 별 의 일주운동, 달의 운동들이 어느 정도 설명될 수 있을 것이다. 이것이 바로 천동설이다.

아주 기본적인 가정으로 지구는 우주 의 중심으로 움직이지 않는 것이며 나머지 천체가 지구 주위를 돌고 있다고 하는 이론인 것이다. 누구에게나 보편적인 정서로 받아들여지기 쉬웠던 천동설은 2세기의 천문학자 프톨레마이오스 에 의해 완성된 후 근대 물리학이 태동하기 전까지 주류가 되어왔었다.

그러면 여기서 다른 가정을 할 수 있다. 태양이 중심이고 지구가 움직인다고 하는 가정이다. 천동설과는 정반대의 가정이지만 그 동안 익혔던 화성의 역행운동이 자연스럽게 설명되는 어떻게 보면 황당한 가정이다. 지구 위에 있는 나는 움직임을 전혀 느낄 수 없는데 어떻게 지구가 태양 주위를 하루에 한 번씩 돌고 있단 말인가?

그래서인지 고대 그리스나 헬레니즘 시대의 지동설은 일반적인 관심을 끌지 못하였고 코페르니쿠스가 1543년 『천구의 회전에 관하여』라는 책으로 지동설을 발표했지만 별 반응이 없었다.

하지만 망원경으로 직접 관측을 시작한 갈릴레오의 등장으로 이제 과학은 더 이상 관념적 상상이 아니 게 되었다. 직접적인 관찰에 토대를 둔 철저히 정량적이고 실증적인 것 이 된 것이다. 이로써 근대 서구과 학 문명이 갈릴레오에 의해서 새롭게 문이 열렸으며 수 천년 동안 지배해온 아리스토텔레스의 역학과 우주관도 단지 고전적 문구에 지나지 않게 되었다.

천동설도 지동설도 행성의 원궤도를 전제로 하고 있었다. 원만큼 단순하고 이해하기 쉬운 형태는 없다. 아름다운 원에 의하여 조형된 우주는 사람들에게 안정감을 안겨 준다. 그러나 자연은 결코 인간이 바라는 것처럼 되어 있는 것 은 아니다. 원궤도로부터의 결별은, 자연 자체로부터 강제됨으로써, 즉 천체의 관측에 의해서 일어났던 것이다. 자연으로부터의 이 강제를 받아들여 고생하여 싸운 사람이야말로 케플러였다.

케플러는 티코 브라헤(Tycho Brache, B.C.1546-1601)라는 당시의 천체관측 의 제 1인자의 제자로, 브라헤가 20수년간이나 계속하여 관측한 행성운행의 관측 데이터를 이용할 수 있었다.[2] 그는 그 속에서 화성의 운행을 들어, 코페르니쿠스의 설에 바탕하여 이론적인 계산을 하여 보았다. 그런데 계산한 결과는 브라헤의 관측 데이터와 각도에서 8분만큼이 맞지 않았다. 여기서부터  케플러의 악전고투가 시작된다. 그는 브라헤가 관측한 것이 옳다고 믿어, 행 성이 원운동을 한다고 하는 설이 틀린 것이 아닐까 하고 생각했다. 그러나 당 시에는 천체가 완전한 원운동을 한다는 것이 아주 확고한 사고방식이었다. 이 것을 의심한 것은 케플러가 처음이다. 그는 아주 신중하게 몇 번의 계산을 하 여 화성의 궤도는 원일 수는 없다는 것을 먼저 이끌어내었다. 그런 위에서 그 는 처음에는 달걀꼴의 궤도를 생각해 보았으나 잘 들어맞지 않았고, 다음에는 달걀꼴을 타원으로 대체했다. 그리고 길고 긴 계산과 사색을 거듭하여 겨우 화성의 궤도가 타원이라는 것을 확인하게 된다.

이리하여 브라헤의 20수년의 관측과 케플러의 수년간에 걸친 계산과 사색 끝에 가까스로 원운동과의 결별이 이루어 졌다. 이 케플러의 발견은 1609년 『신천문학』이라는 책으로 공표되었다. 그의 일생에 걸친 노력을 떠받쳤던 것은 “우주는 수학적인 조화를 지니고 있다” 는 신념이었다.[23] 케플러의 이 신념 가운데는 상당히 신비적인 면도 포함되어 있다. 그러나 자연의 해명에 수학이 이용될 수 있다고 하는 생각은 당시로서는 매우 참신한 것이었다.

타원궤도의 발견은 물리학의 성립에 더욱 결정적인 의미를 지니고 있다. 행 성이 타원궤도를 그린다고 하더라도, 원궤도와의 차이는 아주 근소한 것이다. 이 작은 차이가 왜 그토록 중요할까? 그것은 다음의 이유에 의한다. 행성이 원운동을 하는 것이라면 운동의 원인이 문제가 되는 일은 없다. 원은 완전한 도형이기 때문이라고 하는 설명으로서 끝낼 수 있었다. 그러나 설사 아무리 작은 차이라도 행성이 원운동에서 벗어난다고 하면 그렇게는 안 된다. 행성이 왜 타원운동을 하느냐고 하는 문제를 아무래도 생각하지 않으면 안 되게 된 다. 이리하여 타원궤도의 발견에 의하여 행성의 운동의 원인이 무엇이냐고 하 는 문제가 새로이 제출되었다. 이 문제의 답은 후에 뉴턴에 의하여 발견된다.