지동설의 관측적, 이론적 증명

지동설의 관측적, 이론적 증명

지동설의 관측적, 이론적 증명

과학의 특성 중 하나로 단순성이라는 것이 있습니다. 하나의 자연 현상에 대해서 두가지 이상의 원리적인 설명이 가능할 때, 우리는 단순한 모형을 선호한다는 것입니다. 이러한 주장을 한 중세의 학자 오캄의 이름을 따서, 이러한 원리를 “오캄의 면도날”이라고 부릅니다. 프톨레마이오스의 천동설 그리고 코페르니쿠스의 지동설, 이 둘중에서 어떤 것이 더 단순한 체계라고 여러분은 생각되십니까? 코페르니쿠스의 지동설 주장이 있은 후, 약 60여년의 시간이 흘러 1600년대초, 지동설을 증명할 수 있는 새로운 사실들이 봇물처럼 쏟아지기 시작했습니다. 갈릴레이, 케플러, 뉴턴으로 이어지는 1600년대 초기 과학 혁명의 시기가 바로 그 때입니다. 1609년은 인간이 우주를 보는 방법에 대한 일대 도약이 이루어진 해입니다. 바로 갈릴레이가 천체 망원경을 제작하고, 처음으로 망원경을 활용해서 별과 우주를 관측하기 시작했다는 것 입니다. 이전까지는 눈으로만 별과 우주를 관측하였지만, 망원경을 활용하여 눈으로는 볼 수 없었던 어두운 별들을 새롭게 볼 수 있게 되었을 뿐만 아니라 희미한 천체 현상들을 더욱 뚜렷하고 정밀하게 관측하게 되어서, 인간의 우주에 대한 지식적 이해가 획기적으로 발전하게 되었습니다. 갈릴레이는 자신의 망원경으로 태양의 흑점과 달의 분화구를 확인하고, 별과 우주는 완전하고 완벽하다는 당시의 개념을 통째로 바꾸어 놓았습니다. 토성의 띠와 목성의 4개의 위성들 즉 이오, 유로파, 가니메데, 그리고 칼리스토와 같은 4개의 위성을 관측해서 이들 위성들이 목성 주변을 공전한다는 사실을 직접 확인하였습니다. 이러한 사실은 당시의 우주관, 즉 모든 천체는 지구를 중심으로 해서 공전한다는 개념을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 뿐만 아니라 밤하늘을 희미하게 수놓고 있는 은하수, 이 은하수는 수많은 어두운 별들이 모여서 띠를 이루고 있는 집합체다라는 사실도 처음으로 관측하였습니다. 무엇보다 중요한 갈릴레이의 관측 사실은 금성의 모양이 변화한다는 것을 확인한 것입니다. 망원경으로 금성을 살펴보니까, 금성의 모양이 반달이 될 때도 있고 보름달의 형태에 가까운 모습으로 보일 때도 있다는 사실을 확인한 것입니다. 이같은 사실은, 금성이 지구보다 더 가까운 거리에서 태양을 공전하는 내행성이라는 가정에 근거한 기하학적 원리에 의해서만 설명될 수 있는 것으로써 코페르니쿠스의 지동설이 맞다는 가장 확실한 관측증거가 된 것입니다. 드디어 천동설의 막이 내리게 된 것입니다. 그리고, 지동설은 천체의 운동에 대한 새로운 패러다임으로 자리 잡게 된 것입니다.

천체 운동의 패러다임 - 지동설 완성 과정

지구의 공전에 의해 나타나야만 하는 별들의 주기적인 위치 이동 현상, 즉 연주 시차 현상이 나타나지 않는 것은 코페르니쿠스의 주장에서처럼, 별들이 태양계 밖 매우 먼 곳에 위치한다고 생각하면, 단순하게 해결되는 것이였습니다. 그러나, 이러한 지동설의 등장은 당시 서구 사회의, 통념과는 배치가 되어서 큰 충돌을 일으켰습니다. 지동설을 믿고 주장하던 성직자 부르노는 결국 화형에 처하기도 했습니다. 갈릴레이 역시, 종교 재판에 회부되어서, “태양이 우주의 중심이며, 지구는 우주의 중심이 아니다”라는 자신의 지동설 주장을 철회하기도 하였습니다. 1610년 케플러라는 천문학자는 코페르니쿠스의 지동설에 근거해서 자신의 스승인 티코 브라헤의 화성 관측 자료를 기하학적으로 분석해서, 화성 화성의 정확한 공전 궤도를 찾아내게 되었습니다. 그리고, 화성은 원 궤도가 아닌 타원 궤도를 가지고 태양 주변을 공전한다는 사실을 확인했습니다. 그리고 타원 궤도로 운동하는 화성의 운동 속도를 분석해서, 태양을 중심으로 면적 속도가 일정하다는 운동법칙을 알아내었습니다. 이것은, 화성이 태양에 가까워 질 때는 빠르게 운동하고, 태양에 멀어질 때에는 더 느리게 운동한다는 것을 의미하는것입니다. 더 나아가서, 행성들의 공전 주기와 태양으로부터 떨어져 있는 거리를 결정해서 행성 공전 주기의 제곱은, 태양으로부터의 거리의 세제곱에 비례한다는 조화의 법칙을 발견하였습니다. 이로부터 태양을 중심으로 하는 행성계는 타원이라는 아름다운 기하학적 도형으로 설명될 수 있고, 태양과 행성들 간에 작용하는 어떠한 힘에 의해서, 원리적으로 운행되고 있다는 사실을 알게 되었습니다. 1600년대 초 당시까지 알려져 있던, 물체들 간에 상호 작용하는 힘, 그 힘은 자기력이었습니다. 자연 상태의 자석을 보면, 자석은 서로 끌어당기기도 하고 밀기도 한다는 사실을 우리가 경험적으로 잘 알고 있습니다. 그러나, 케플러의 연구로부터 알게 된 태양과 행성 간의 상호 작용 즉 행성의 타원 궤도에 대해서는 이러한 자기력으로는 설명이 되지 않았습니다. 그렇다면, 태양과 행성 간에 상호 작용하는 새로운 힘의 개념이 필요하게 된 것입니다. 1600년대 중반에 이르러서, 인류 역사의 위대한 과학자 뉴턴입니다. 뉴턴은, 만유인력이라는 새로운 힘의 개념을 도입해서 태양을 중심으로 하는 행성의 타원 궤도 운동을 이론적 원리로 이해하게 됩니다. 행성의 운동 궤도는 작은 운동 궤도의 합으로 인식을 하고, 미분과 적분의 새로운 개념으로 적용하였습니다. 뉴턴은 프린키피아라는 자신의 저서를 통해서 이러한 이론적 원리를 기술하면서 행성의 타원 궤도 운동을 완벽하게 계산해내었습니다. 우주에 존재하는 모든 물체들은 만유인력이라는 힘으로, 상호 작용하고 있다라는 새로운 사실을 증명했던 것입니다. 이로써, 태양을 중심으로 지구와 행성들이 궤도 운동을 한다는 사실을 이론적 원리로 이해하게 됨으로써 코페르니쿠스에 의해서 주장된 지동설이 완성 된 것입니다. 새로운 과학 혁명의 정점을 이루게 된 것입니다.

혜성 존재 발견

그런데 태양계에는 태양과 행성외에도 태양을 중심으로 궤도 운동을 하는 천체가 또 있는데 바로 혜성입니다. 어떤 혜성은 태양에 한번 접근 했다가 사라지고 마는 경우도 있지만, 태양을 중심으로 주기적으로 공전하는 많은 혜성들이 있습니다. 이러한 주기 혜성들의 공전 역시 타원 궤도를 가지고 있는데요. 다만 궤도 이심율이 매우 커서 원에 비해서 매우 찌그러진 궤도를 가지고 있습니다. 천문학자 핼리는 뉴턴 역학의 원리를 혜성에도 적용할 수 있을 것이라는 것을 직감했습니다. 그리고, 혜성의 궤도에 뉴턴 역학을 적용해서, 76년을 주기로 태양을 공전하는 하나의 혜성에 대한 궤도를 정확하게 예측했습니다. 이렇게 확인된 혜성이 바로 핼리 혜성입니다. 지금도 핼리 혜성은 76년에 한번씩 태양을 중심으로 공전하고 있습니다. 만유인력을 도입한 뉴턴의 역학이 새롭게 대두되고 핼리에 의해서 혜성의 운동 궤도 역시 뉴턴의 역학으로 설명될 수 있다라는 사실이 증명되면서 1600년대 중반 이후 새로운 혜성을 발견하려고 하는 관측이 매우 활발해졌습니다. 이때 이 관측은 갈릴레이에 의해서 만들어진 망원경을 활용해서 이루어진 것은 극히 당연한 일입니다. 그런데, 당시의 망원경으로 본 밤하늘에는 혜성과 매우 유사한 형태를 갖기는 하지만 혜성처럼 움직이지는 않는, 아주 이상한 뿌옇고 흐릿한 100여개의 천체들이 새롭게 발견이 되었습니다. 밤하늘의 천체들 중에서 이해할 수 없는 새로운 천체들이 발견된 것입니다. 반짝이는 별도 아니고, 혜성도 아닌, 이 흐릿한 천체들은 과연 무엇인가? 1600년대에 걸쳐 지동설을 확인한 우리 인간은 1700년대에 들어와 이제, 이와 같은 전혀 새로운 문제에 접하게 된 것입니다.

정리

완벽하고 조화로운 우주 속의 별들, 그러나 해와 달과 오행성들의 특이한 움직임 이 현상을 처음으로 원리적으로 이해하게 된 것은, 지금으로부터 2000여년전 프톨레마이오스가 제시한 천동설이었습니다. 천동설은 비록 복잡한 기하학적 체계를 가지고 있었지만, 일월 오행성의 운동을 완벽하게 재현하면서 1500년대에 이르기 까지 표준 우주론으로 자리매김을 했습니다. 1500년대 중반에 들면서, 코페르니쿠스에 의해 태양을 중심으로 지구와 행성이 공전한다는 지동설이 주장되었습니다. 그리고, 1600년대에 들어서 망원경의 발명과 더불어서 금성의 모양 변화를 망원경으로 관측함으로써 코페르니쿠스의 지동설이 맞다는 것이 증명이 되었습니다. 태양과 행성들의 공전 현상은 만유인력이라는 새로운 힘을 도입한 뉴턴에 의해서, 원리적으로 이해되었습니다. 뉴턴의 역학 이론은 혜성에도 적용이 되었습니다. 그런데, 혜성과 모양은 유사하지만 혜성과는 전혀 다른 새로운 천체들이 발견되었고, 이들의 정체가 무엇인가? 에 대한 새로운 문제가 대두된 것입니다. 인류가 우주에 대해 풀어야할 새로운 숙제가 생기게 된 것입니다.