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계정을 잊어버리셨나요?

by 천문학자소년 Aug 17. 2015

통념에 '물음표'를 붙이다.

우주관의 변화에 관하여

저는 항상 유념하고 있는 문장 하나가 있습니다.

감각은 우리를 속일 수 있다.

그 말은 즉, 우리가 감각기관(눈, 귀, 피부...)을 통하여 얻은 관찰이 실제적인 사실을 은폐할 수도 있다는 것입니다. 우리의 머나먼 선조들은 다른 도구 없이 자신의 감각기관을 통해서만 밤하늘을 바라보고 우주를 이해했습니다. 하지만 우리의 감각기관에는 한계가 있습니다. 아무리 감각기관이 뛰어날지라도 지구가 돈다는 것을 느끼지 못할 것이고, 각각의 별들이 지구로부터 각자 다른 거리를 가지고 있다는 사실도 알지 못하였을 것입니다.

출처:NGC 코스모스

인류가 등장하고 초창기, 그들에게 하늘을 보고 느낀다는 것은 정말 중요한 일이었습니다. 예로 "저 별이 한밤중에 저기 보이는 느티나무 위에 떠있으면 곧 물소 떼가 몰려온다는 걸 뜻해. 그러니 우리 물소 사냥을 나가자!"와 같이 말이죠. 그들은 밤하늘을 통해 곡식을 언제 재배해야 하는지, 언제 큰 재앙이 일어나는지를 추측하였습니다. 아로 인간의 능력 중의 하나, 패턴인식이죠. 그렇게 과학은 발전할 수 있었습니다. 하지만 그때까지의 과학은 그들을 보호해 줄만큼은 아니었기에 그들은 항상 두려움을 겪었습니다. 그들에겐 자신의 두려움을 극복하기 위한 절대자가 필요하였습니다. 그런 사람들 중에 힘 있고 리더십이 있는 사람들이 보고 느낀 것에 자신의 생각을 첨가하여 여러 사람들에게 전파하기 시작하였습니다. 그렇게 많은 추종자들이 생겨나고, 그 결과 '종교'가 발전할 수 있게 되는 결과를 낳았습니다.

1. 천동설

프톨레마이오스, '천동설'을 주장한 대표 천문학자.

그 후, 약 2세기경(아직까지 망원경이 발명되기 전입니다.). 자신의 감각과 관측을 토대로 모두가 공감할만한 '천동설'을 체계화하여 제안하게 됩니다. 이전부터 플라톤, 아리스토텔레스가 주장해 왔을 뿐만 아니라, 사람의 감각기관이 느끼기에는 그렇게 느껴졌기 때문입니다. 지구는 우주의 중심이며, 태양과 행성, 별들이 우리 지구를 중심으로 회전하는 것처럼 느껴졌기 때문입니다. 또한, 그 당시의 믿어졌던 종교 사상과도 잘 부합되었기에 많은 지지를 받게 됩니다. 그렇다면 프톨레마이오스의 천동설의 특징과 그 한계는 무엇일까요? 한번 알아보도록 하겠습니다.

특징

천동설을 나타내는 그림.

1. 세상의 중심은 지구

'천동설'을 한자 뜻 그대로 해석해 보자면 '하늘이 움직이는 이야기'이라는 뜻이 됩니다. 그 말은 즉, 지구는 우주상에 고정되어 있는 말 그대로 아무 움직임이 없는 행성입니다. 그 주위를 태양과 행성, 천구에 붙은 별들이 지구를 도는 구조로 이루어져 있습니다. 이 생각은 그 당시의 종교에 잘 부합하는 개념이었습니다. '우리의 인류는 절대자(신)에게 인정을 받았고 특별한 존재이다.'라는 생각에 말이죠.

2. 주전원과 이심원

화성의 순행과 역행

밤하늘에 떠있는 행성들은 여러 날을 기준으로 하였을 때, 대체적으로 천구상을 '서에서 동'으로 이동합니다. 그래서 이 움직임을 '순행'이라고 합니다. 하지만 각 행성들의 속도 차이로(내행성은 내 합부근, 외행성은 충 부근에서. 무엇인지 궁금하다면 1번 참고) 어느 순간부터 행성이 순행이 아닌 '동에서 서'로 가는 '역행'을 하게 됩니다. 천동설은 이 현상을 설명하기 위해 주전원을 도입하였습니다.

위의 그림에서 행성이 돌고 있는 궤적이 '주전원'. 행성의 중심이 도는 원을 '이심원'이라고 하는데 주전원을 통하여 행성이 순행과 역행을 설명할 수 있게 되었습니다.

3. 내행성의 구속

내행성 주전원의 원의중심은 항상 지구와 태양을 잇는 선 위에 있습니다.

내행성을 관측해 보자면 내행성은 태양-지구-행성의 각이 어느 이상으로 벌어지지 않습니다. 이때 최대로 벌어질 수 있는각을 '최대이각'이라고 합니다. 예로 수성은 24 º, 금성은 48 º인데요. 이 현상을 설명하기 위해서는 내행성이 항상 태양과 지구에 가까이 존재하여야 했습니다. 그렇기에 프톨레마이오스가 고안해 낸 생각이 바로 이것! 수성과 금성의 주전원의 중심이 항상 지구와 태양을 잇는 선분 위에 존재해야 한다는 것을 설정하여 내행성이 어느 이상으로 각이 벌어지지 않는 것을 설명할 수 있게 되었습니다.

이 사실들은 오직 감각만을 사용하여 밝혀낸 사실들입니다. 하지만 처음에 말했듯이, 감각은 우리를 속이기에 천동설이 모든 것을 설명해 주진 못하였습니다. 그 한계는 어떤 것 들 일까요? 하나하나씩 알아보도록 하겠습니다.

한계

1. 금성의 위상 변화와 시지름변화

왼쪽은 '천동설'일 때의 위상 변화, 오른쪽은 '지동설'일 때의 위상 변화. 관측상으론 오른쪽이 옳다.

천동설에서의 금성은 항상 지구와 태양 사이를 벗어나지 못합니다. 오직, 자신의 주전원만 돌고 있을 뿐이죠. 그래서 지구에서 금성을 바라 본다고 생각하면 그렇게 변화의 스펙트럼이 넓지만은 않을 것입니다. 왼쪽 그림의 밝은 부분처럼 말입니다. 하지만 사람들이 목성의 위상을 관측을 해보니 왼쪽이 아닌 오른쪽처럼 다양한 위상들이 관측되었습니다. 심지어 사람들은 개기일식이 일어났을 때, 금성의 보름달 형태까지도 볼 수가 있었습니다. 이 말은 지금까지 믿어져 왔던 천동설에 오류가 있다는 말이 됩니다.

금성의 시직경변화. 꽤 큰편입니다.

그 뿐만이 아닙니다.'시직경'이란 '우리가 지구에서 관측을 했을 때 육안으로 보이는 크기'를 뜻합니다. 프톨레마이오스의 천동설에 의하면 금성의 시직경은 제일 멀 때와 제일 가까울 때가 주전원의 지름만큼 밖에 차이가 나지 않기 때문에 그렇게 큰 변화폭을 띄지 않습니다. 하지만, 관측 결과 금성의 시직경 변화폭이 작기는커녕, 이웃이었던 수성보다도 크게 나타나게 되었습니다. 그 사실은 천동설이 틀렸다는 것을 증명할 수 있는 증거가 되었습니다. 그렇다면 이 현상을 관측한 과학자들은 이 증거를 통해 천동설이 틀렸다고 주장하였을까요? 개부분의 과학자들은 주장을 하지 못하고 자신의 입장을 철회할 수밖에 없었습니다. 그 이유는 균형을 이루던 과학과 종교가 균형이 깨지고 말았기 때문입니다. 종교가 과학을 뛰어넘자 종교적 생각과 어긋나는 과학적 사실들은 무시되고 그것을 주장하는 과학자가 생긴다면 국가에서는 '종교재판'이라는 제도를 통하여 고문, 협박 그리고 사형까지... 그 당시의 많은 관측과 발견으로 얻은 사실들이 세상의 빛을 보지 못한 채 땅에 묻혀야만 했습니다. 그리고 죽음이라는 두려움 때문에 많은 과학자들은 자신의 주장을 철회할 수밖에 없었습니다.(비록 저는 무신론자지만 종교를 비판하자고 해서 이 글을 쓴 것이 아닙니다. 저는 다양한 종교를 인정하며 '지적 창조론'도 거부 감 없이 진화론 중의 하나라고 인정합니다. 그렇기에 오해 없이 읽어주셨으면 합니다.)

2. 항성의 연주 시차

연주시차

여러분은 이제 간단한 실험 하나를 해보도록 하겠습니다. 준비물은 손가락 하나이면 됩니다.

<실험과정>
준비물: 여러분이 관찰할 수 있는 눈, 손가락
1. 손가락 하나를 내 눈과 눈 사이에 둡니다.
2. 손가락을 얼굴과 일정 거리를 둡니다.
3. 왼쪽 눈을 감고 오른쪽 눈으로만 손가락을 봅니다.
4. 그 다음엔 왼쪽 눈만 떠서 손가락을 봅니다.
5. 위의 3~4 과정을 얼굴과 손가락의 거리를 달리하면서 관찰해 봅니다.

어떻게 보이시던가요? 아마 왼쪽 눈으로 손가락을 볼 때와 오른 쪽 눈으로 손가락을 볼 때 배경에 대하여 위치가 변하였을 것입니다. 그 말은 즉, 우리가 어디서 손가락을 어디서 보는가에 따라 배경에 대하여 별의 위치가 달라지는 것이지요. 그렇다면 5번 과정은 어떠셨습니까? 아마 손가락을 가까이 한다면 위치의 변화폭이 컸을 것이고 손가락을 멀리 한다면 위치의 변화폭이 작았을 것입니다. 위의 실험을 정리해 보자면 '손가락의 위치는 어느 시선에서 보는가에 따라 배경에 대해서 위치가 달라지는데, 거리가 시선과 가까울수록 변화폭이 커진다.'라고 말할 수 있겠습니다. 이런 현상은 우리의 손가락뿐만이 아닌 우리가 우주를 바라볼 때도 나타납니다.

위의 그림을 참고하면 우리가 현재 E1위치에 있다고 하면 별 S는 배경별에 대하여 오른쪽으로 치우쳐져 있습니다. 그런데 지구가 공전을 하여 6개월 후 E2위치에 오게 되면 배경별에 대하여 왼쪽으로 치우치게 됩니다. 이때, 차이나는 만큼의 각거리의 반을 '연주 시차'라고 합니다. 연주 시차는 지구와 거리가 가까울수록 커지게 됩니다. 즉 별까지의 거리와 연주 시차는 반비례 관계이죠. 이런 현상이 나타나기 위해서는 지구가 공전해야 합니다. 하지만 천동설에서의 지구는 공전하지 않으므로 연주 시차를 설명할 수 없습니다. 그러나 프톨레마이오스의 시대에서는 연주 시차를 관측한다는 것은 정말 어려운 일이었습니다. 왜냐하면 지구와 가장 가까운 별인'프록시마센터우리'도 연주 시차 너무 작다보니 육안으로 관측하기 힘들기 때문입니다. 따라서 연주 시차는 망원경이 발명되고 나서 등장한 개념입니다.

갈릴레이,목성위성 그림을 담은 글.

그 후, 오랜 기간 동안 사람들의 우주관은 '천동설'로 굳어져 왔습니다. 시간이 지나고 갈릴레이가 망원경을 발명했을 때, 그는 망원경을 사용하여 밤하늘을 더 깊이 여행할 수 있었습니다. 여행의 여정중 가장 큰 업적을 2가지 뽑는다면, 관측을 통하여 '완벽한 구'일 줄 알았던 달이 완벽하지 않다는 사실과 위의 그림에서 보시다시피 목성의 위성(이오, 가니메데, 유로파, 칼리스토. 목성의 위성은 4개 이외에도 훨씬 많습니다.)을 발견한 것입니다. 이것이 왜 큰 업적이 되었을 까요? 바로 천동설을 반박할 또 다른 근거가 나오게 된 것입니다. 천동설에 의하면 모든 것들은 지구를 중심으로 돌고 있어야 합니다. 그런데 목성의 위성이 발견되었다는 것은 천동설이 틀렸다는 말이 됩니다. 그러나 그는 연구결과에 대해서 많은 반대가 있어 자발적으로 로마 교황청을 방문하여 설명했지만 종교 재판에 서게 됩니다. 그리고 지동설의 포기를 명령받았지만 그는 자신의 의견을 굽히지 않고 주장합니다. 그러나 나이가 들어 고문의 두려움을 느낀 그는 어쩔 수 없이 자신의 주장을 철회하고 맙니다. 그리고 유명한 문장 하나를 남겼습니다.

그래도 지구는 돈다.

그런데 갈릴레이가 지동설을 주장하기 전에도 여러 명의 과학자들이 지동설을 주장한 적이 있었습니다. 그중에 대표적인 한 명으로 '혁신'이라는 단어를 쓸 때 자주 화두가 되는 인물. 바로 '코페르니쿠스'입니다.

2. 지동설

그는 현재까지 당연하게 믿어져 왔던 '천동설'에 대해서 의문을 품게 됩니다. 즉, 통념에'물음표'를 붙이게 됩니다. 또한, 천동설이 실제 모델과 다르기 때문에 발생되는 오차를 보완하기 위하여 조금씩 조금씩 수정되다 보니 결국 엄청나게 복잡한 천동설이 만들어지게 되었습니다. 그래서 그는 새로운 우주모델인 '지동설'을 만들게 됩니다. 그가 쓴 해설서에 지동설을 정리한 것을 본다면

1. 모든 천구들은 공통되는 하나의 중심은 존재하지 않는다.
2. 지구는 우주의 중심이 아니다. 지구는 무게가 향하는 중심, 달의 천구의 중심일 뿐이다.
3. 모든 천구들은 태양을 둘러싸고 있다. 그러므로 우주의 중심은 태양의 근처에 있다.
4. 태양에서 지구까지의 거리는 대천구(항성들의 천구)의 높이와 비교하면 매우 작아 감지할 수 없을 정도이다 대천구의 겉보기 운동은 실제 운동이 아니라, 지구의 운동에 의해 생긴 결과이다.
5. 지구는 고정된 극을 회전축으로 삼아 자전하며, 하늘 가장 높은 곳에 있는 항성들의 대천구는 움직이지 않고 가만히 있다.
6. 태양의 겉보기 운동은 실제 태양의 운동이 아니다. 지구와 지구의 궤도 껍질의 운동으로부터 나온 것이다. 즉, 지구는 다른 행성들과 마찬가지로 태양을 중심으로 회전하고 있다. 그러므로 지구는 적어도 두 가지 운동을 하고 있다.
7. 행성의 역행 운동은 실제 운동이 아니다. 그것은 지구의 운동 때문에 그렇게 보이는 것이다. 그러므로 지구의 운동만으로 하늘에서 볼 수 있는 많은 불규칙한 현상들을 설명할 수 있다.

7가지로 정리될 수 있는데 7개 중에는 맞는 사실도 있고 틀린 사실도 있습니다. 그리고 코페르니쿠스는 행성이 도는 궤도는 원궤도이며 항상 등속 원운동을 한다고 했지만 미래에 '캐플러라는 과학자에 의해 틀린 사실로 밝혀집니다.(캐플러 3 법칙이 궁금하다면 2번 참고)

하지만 그는 발상의 전환을 통하여 가장 비슷한 우주관을 성립시킵니다. 그리고 또한 지동설은 앞서서 존재했던 천동설의 문제점들을 설명할 수 있습니다. 그렇기에 지동설은 과학사에서 가장 훌륭한 업적 중 하나로 불립니다. 하지만 코페르니쿠스가 살던 세상에도 과학보다는 종교의 힘이 강했습니다. 그래서 코페르니쿠스 또한 강력하게 지동설을 주장하지 못하였습니다. 과거엔 인정을 받지 못하였지만 현대의 우리는 그를 '과학혁명의 시작점'이라고 칭합니다. 그리고 또한 그는 아리스톹텔레스나 프톨레마이오스와 같은 권위자들의 이론에 사로잡혀있었던 2000년의 오류를 바로 잡았습니다. '과학 혁명의 구조'라는 책을 쓴 '토머스 쿤'은 코페르니쿠스를 보고 이런 말을 남깁니다.

최초의 근대 천문학자이면서 마지막 프톨레마이오스 천문학자였다.

3. 절충설

왼쪽은 티코브라헤의 초상화, 오른쪽은 절충설모델

코페르니쿠스는 비록 '지동설'이라는 새 모델을 만들어 냈지만, 세상에 발표하지는 않았습니다. 그 당시만 해도 관측자는 땅에 고정되어 있고 하늘이 돌아간다고 느꼈을 뿐 아니라, 세상의 중심이 지구가 아니라는 점에서 부정적인 사람들이 많았기 때문입니다. 그 후, '캐플러'의 스승인 티코브라헤가 일반 '천동설'의 문제를 해결하기 위하여 새로운 모델을 제시하였는데 바로 '절충설'입니다. 절충설을 정리해 보자면 '지구는 우주의 중심이고 달과 태양이 지구를 돈다. 하지만 나머지 행성들은 태양을 중심으로 공전하고 있다.'라고 말 할 수 있습니다. 즉, '티코브라헤'의 절충설은 지동설 보다는 천동설에 가까운 주장이었습니다. 그러나 티코브라헤의 모델은 실제와 다르기 때문에 그에 따른 오차가 발생했고 그런 오차를 없애기 위해 많은 수정을 해왔지만 결국 해결하지 못하고 세상을 떠나게 됩니다. 그의 관측 결과를 이어받은 제자, 캐플러는 그의 연구를 분석하였습니다. 그 결과 캐플러는 위대한 발견을 하게 되는데, 바로 '캐플러 법칙'을 발견하여 자신의 스승과 반대로 지동설을 지지하는 결정적인 증거가 되었습니다.

우리가 늘 가지고 있는 '그건 당연한 사실이지. 보이는 게 그런데.'와 같은 통념에 물음표를 붙인다는 것은 참 어려운 일입니다. 또한, 통념이 잘못된 것을 알았다고 하더라도 통념을 믿지 않을 경우 받게 되는 무시, 외로움, 벌, 그리고 과거의 경우엔 죽음.. 을 겪게 된다는 것을 알고 있다면 더욱 힘들것입니다. 하지만, 우리의 역사 속에서는 죽음에 대한 두려움을 극복하고 자신의 주장을 꿋꿋이 지킨 과학자들이 있습니다. 그들이 있어 현재의 과학이 있고 '지금'이 존재하는 것 같습니다. 우리는 아직 우주의 아주 일부만을 알고 있습니다. 그리고 그중에서는 우리가 당연하다고 생각하기 때문에 실제와 다른 사실들도 많습니다. 그런 통념의 끝에 물음표를 붙여보는 것은 어떨까요?-천문학자소년-

1. 내행성과 외행성의 위치 관계를 따질 째, 지구-태양-행성의 상대적인 위치 관계를 봅니다.

상대적인 위치 관계에 따라서.

행성과 지구, 태양의 상대적인 위치에 따라 불리는 것도 달라집니다. 예로 어느 외행성이 태양-지구-행성 순으로 각을 특정하였을 때, 지구를 기준으로 동쪽으로 90 º 를 이루고 있다면 '동구'가 되는 것처럼 말이죠. 그렇다면 저 많은 위치 중 어디쯤에서 행성의 역행이 일어날까요?

참고로 행성의 공전속도는 태양과 가까울수록 공전속도는 빨라집니다. 내행성의 역행의 시작은 그림을 보신다면 아시겠지만 '동방최대이각'에서 시작됩니다. 그리고 내행성이 '내합'의 위치를 지나 '서방 최대이각'에서 다시 순행으로 넘어옵니다. 순행에서 역행, 역행에서 순행으로 넘어오는 과정에서 별이 마치 정지한 것처럼 보이는데 이 현상을 '유'라고 그럽니다.(왼쪽 그림에선 2,6) 즉 내행성의 최대이각은 유가 나타나는 곳이며 역행의 시작과 끝이라고 할 수 있습니다. 외행성은 정확히 어디에서 역행이 시작된다고 말 할 수 없습니다. 외행성의 경우에는 그림에서 보시다시피 '충'부근에서 역행을 한다는 것을 알 수 있습니다.

2. 캐플러 3 법칙(행성의 운동에 관한 정리)

제 1 법칙:타원궤도의 법칙
행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원궤도를 그리며 공전을 한다. 이때, 태양과 가장 가까이 있을 때를 근일점, 가장 멀리 있을 때를 원일점이라고 한다.

제 2 법칙:면적속도 일정의 법칙
같은 시간 동안 행성이 휩쓸고 간 부채꼴 모양의 면적은 항상 일정하다.(S1=S2=S3, 이 말은 태양과 가까울 때 공전속도가 빠르다는 것을 알 수 있습니다. 근일점 부근에 행성이 있다면 상대적으로 태양과 행성의 거리가 가까워집니다. 그 말은 원일점에 있을 때 보다 더 많은 거리만큼을 진행해야지 면적을 따라 잡을 수 있을 것입니다. 그렇기에 행성과 가까워질수록 속도가 빨라집니다.)

제 3 법칙: 조화의 법칙
행성의 공전 주기 제곱은 공전궤도 반지름에 비례한다.

안녕하세요, '천문학자소년'입니다. 다름이 아니라 아무런 통보도 없이 최근 글을 올리지 못한 것에 대하여 죄송하다는 말씀을 드리고 싶습니다. 지난주 토요일부터 온 몸살 기운을 무시했던 저는 몸살에 걸리고 말았습니다. 그 결과, 저는 앓아눕게 되고 열과 구토를 동반한 다양한 증세가 저를 공격하였습니다. 저가 사전에 여러분께 알렸어야 하는 사실이지만 저가 미리 알리지 못했습니다.. 그것에 대한 사과를 하고 싶습니다. 지금도 감기 기운이 어느 정도 있지만, 많이 나은 것 같습니다. 항상 저의 글을 애독해 주시고 읽어 주시는 분들 모두 한편으로는 죄송하며 한편으로는 기다려 주시는 것에 대하여 감사함을 표하고 싶습니다. 그래서 저는 여러분의 의견을 듣고 싶습니다. 여러분이 원하시는 천문학 주제가 있으시다면 댓글에 남겨주세요. 어려운 주제라 하더라도 열심히 내용을 공부하여 최대한 이해하기 좋고 재밌게 글을 써보도록 하겠습니다. 지금까지 읽어 주셔서 감사합니다! 여러분 모두 사랑합니다!