지상과 천상의 하모니

코스모스 Ch3. 해설

“세상이 나를 어떤 눈으로 볼지 모른다. 그러나 내 눈에 비친 나는 어린아이와 같다. 나는 바닷가 모래밭에서 더 매끈하게 닦인 조약돌이나 더 예쁜 조개껍데기를 찾아 주우며 놀지만 거대한 진리의 바다는 온전한 미지로 내 앞에 그대로 펼쳐져 있다.”

- p.161, <코스모스(칼 세이건)”

달력과 역서

천문학은 가장 역사가 오래된 학문 중 하나입니다. 고대부터 사람들은 하늘의 별과 달과 태양과 행성이 어떻게 움직이는지를 관찰해왔습니다. 그 흔적을 가장 쉽게 찾을 수 있는 것은 바로 ‘달력’입니다.

우리는 하루를 ‘일’이라고 말하고, 일이 모여 구성하는 것을 ‘달’이라고 말합니다. 여기서 1일은 태양이 한 바퀴를 돌아 다시 원 위치로 오는데 걸리는 시간입니다. 예컨데, 낮에 하늘 한가운데 떴다가 다시 다음 날 한 가운데 뜨기까지는 1일이라는 시간이 걸리는 것이지요.

약 30일로 이루어진 ‘달’은 달의 모양이 다시 원 상태로 돌아오는데 걸리는 시간입니다. 보름달이 완전히 사라졌다가 다음 보름이 되기까지 걸리는 시간을 생각하면 편합니다.

그런가 하면 일주일은 어떻게 구성되어 있나요? 월화수목금토일은 각각 달, 화성, 수성, 목성, 금성, 토성, 태양과 연결이 됩니다.

이렇게 천문학이 중요했던 이유는 ‘주기’를 가지고 있기 때문입니다. 미래를 예측하는 데에는 과거의 사례가 필요한 법이니까요. 동서고금을 막론하고, 사람들은 항상 달력을 만들어서 다음 날을, 다음 계절을, 다음 절기를 예측하는 데 사용했습니다.

요즘에도 태양, 달, 행성의 움직임을 계산하여 매년 데이터를 제공하는 곳이 있습니다. 바로 한국천문연구원인데요, 1년 동안 주요 천체의 움직임을 예측하여 책으로 펴낸 것을 ‘역서’라고 합니다.

아래 링크에서 직접 다운받아 보실 수도 있어요!

https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/publication?clsf_cd=pub005

ㄴ 기상청에서 발표하는 일출, 일몰 시간도 이 데이터를 참고한 것이에요!

천동설과 지동설

(p.117~124)

아시다시피, 옛날 사람들은 지구가 태양 주위를 도는 것(지동설)이 아니라, 우주의 중심이 지구이며, 지구를 중심으로 모든 천체가 회전(천동설)한다고 믿었습니다.

천동설을 처음 주장한 사람 중 하나는 프톨레마이오스입니다. 당시 천동설에서 가장 설명하기 곤란했던 것은 행성의 역행 운동이었는데요, 프톨레마이오스는 그 원인은 ‘주전원’이라는 개념으로 설명합니다.

행성의 역행

태양은 어디서 떠서 어디로 지죠? 네, 맞습니다. 동에서 떠서 서쪽으로 집니다. 하지만 만약 어떤 날에는 태양이 서에서 떠서 동으로 움직이는 일이 있다고 하면 어떨까요?

행성에서는 이런 일이 일어납니다!

화성을 매일 같은 시간에 관측하면 조금씩 동쪽으로 이동하는 것처럼 보이는데요, 특정한 기간에는 서쪽으로 이동하는 것으로 보입니다. 이렇게 일반적인 방향의 반대로 이동하는 행성의 움직임을 ‘역행’이라고 합니다.

역행의 원리를 자세히 이해하실 필요는 없지만, 이 운동을 간단하게 설명하기 위해서는 지동설, 즉 지구를 비롯한 행성들이 태양 주위를 회전한다는 사실을 도입하면 쉽게 설명됩니다.

또 지동설로 유명한 코페르니쿠스는 <천구의 회전의 관하여>라는 책에서 지구 자전으로 인한 겉보기 운동(일주운동)과 지구 공전 및 행성들의 실제 운동으로 하늘이 회전하는 것처럼 보인다고 설명합니다.

케플러 법칙

(p.124-147)

요하네스 케플러는 스승인 티코 브라헤(또는 튀코 브라헤)가 평생동안 관측하여 얻은 데이터를 분석했습니다. 그리고 아래와 같은 세 가지 법칙을 만들었지요.

타원 궤도의 법칙 : 행성은 타원 궤도를 따라 움직이고 태양은 그 타원의 초점에 있다.

면적-속도 일정의 법칙 : 행성과 태양을 연결하는 선은 같은 시간 동안에 같은 넒이를 휩쓴다. → 태양으로부터 가까이 있을 때는 행성이 빨리 움직이고, 멀리 있을 때는 행성이 천천히 움직인다는 것을 의미

조화의 법칙 : 행성의 주기의 제곱은 행성-태양 사이의 평균 거리의 세제곱에 비례한다.

특히나 조화의 법칙은 재밌는 성질을 가지고 있습니다.

지구와 태양 사이의 거리를 1AU(천문거리)라는 단위로 만들고, 지구의 공전 주기를 1년이라고 합시다. 만약 태양과의 거리가 4AU인 행성이 있다면 그 행성이 태양을 공전하는 주기는 어떻게 될까요?

행성-태양의 거리(4AU) ^3 = 행성 주기 (??) ^2

아주 쉽게 행성의 주기가 8년 이라는 것이 계산됩니다!

아.. 이해가 안 되신다고요?

괜찮습니다! 중요한 것은 우주의 행성들이 제멋대로 움직이는 것이 아니라 ‘일정한 법칙과 관계’를 따른다는 사실을 느끼는 것입니다.

케플러의 법칙은 관측 데이터를 가지고 직접 점을 찍어가며 만든 일종의 ‘경험법칙’ 이지만, 이 내용을 수학적으로 증명한 사람이 있습니다.

바로 아이작 뉴턴입니다!(두둥~)

뉴턴은 아래와 같은 세 가지 법칙을 만들었습니다. (p.155-160)

관성의 법칙 : 모든 물체는 원래 움직이던 성질을 그대로 보존하려는 특성이 있다.

F=ma

작용- 반작용의 법칙

여기서 뉴턴의 제2법칙인 F=ma를 이용하여 케플러 3법칙, 조화의 법칙을 유도해낼 수 있답니다!!

(물론 여러분에게 유도 과정을 보여드리지는 않겠지만, 생각보다 간단하게 계산된답니다!)

실제 데이터를 사용하여 법칙을 만들어낸 케플러와, 수학적으로 계산을 해낸 뉴턴.

→ 이 둘이 만들어낸 법칙이 실은 같은 물리적 의미를 가진다는 것이 신기하지 않나요?

이 두 사람은 비교적 단순한 수학 법칙이 자연 전체에 두루 영향을 미치고, 지상에서 적용되는 법칙이 천상에서도 똑같이 적용되며, 인간의 사고방식과 세계가 돌아가는 방식이 서로 공명함을 밝혔다.

- p.160, <코스모스(칼 세이건)>

마무리하며

이번 챕터부터는 슬슬 재밌는 천문학 이야기가 많이 나와서 기쁩니다 �

꼭 한 번에 책을 다 읽지 않아도 한 챕터씩 천천히 읽다보면 언젠가 완독에 도달할거에요!

질문이 있으시면 언제든지 댓글 주세요~! 그럼 다음에 또 만나요 �