천동설과 지동설

지구가 태양을 공전하면서, 스스로 자전을 하고 있다는 사실을 모르는 사람은 현대에 없을 것입니다. 하지만 천문학이 발달하기 전에는 지구를 중심으로 우주가 움직인다고 주장하는 천동설이 사실로 받아들여졌습니다. 현재는 관측기술이 발달하며 지동설이 옳다는 것이 명확히 밝혀지게 되었는데요, 이번 글에서는 천동설과 지동설에 대해 비교해보겠습니다.

 

1. 프톨레마이오스의 천동설

프톨레마이오스의 천동설 모형 (출처: 에듀넷)

 

지구를 중심으로 태양을 비롯한 천체들이 움직인다는 이론입니다. 지구의 공전과 자전을 사람이 직접적으로 느낄 수 없기 때문에 옛날 사람들은 천체들의 움직임을 보며 지구가 우주의 중심이라 생각하게 되었습니다.

 

이러한 천동설을 체계적으로 정리한 대표적인 인물로 아리스토텔레스와 프톨레마이오스가 있는데, 프톨레마이오스의 천동설이 주로 알려져 있습니다.

 

고대 그리스의 지리학자이자 천문학자인 프톨레마이오스는 2세기 경, 그의 저서 ‘알마게스트(Almagest)’에 천동설에 대해 자세히 정리해 기록해 두었습니다. 프톨레마이오스 천동설은 지구를 중심으로 하는 지동설에 기반을 두고 있으며, 천체의 운동을 설명하기 위해 여러 가정과 복잡한 계산 방법을 사용합니다.

 

프톨레마이오스 천동설에서는 다음과 같은 가정들이 포함되어 있습니다.

 

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• 지구 중심 가정

프톨레마이오스는 지구가 고정된 중심이라고 가정했습니다. 태양, 달, 행성 등의 천체들은 지구 주위를 원 궤도를 따라 공전한다고 설명합니다.

 

• 주전원과 이심원

프톨레마이오스는 천체들의 역행과 순행을 설명하기 위해 주전원과 이심원의 개념을 도입했습니다. 천체는 주전원이라 불리는 작은 원을 중심으로 운동하는데, 이 주전원의 중심은 이심원이라 불리는 큰 원의 원주를 따라 움직입니다. 이러한 개념을 통해 프톨레마이오스는 복잡한 운동 경로를 설명하고 천체의 운동을 예측했습니다.

 

• 비균일 운동

비균일 운동은 천체들이 균일한 속도로 운동하는 것이 아니라, 그 운동 속도가 변하는 것을 의미합니다. 천체들이 주전원을 따라 움직이는 동안 이심원 주위를 돌면서 운동 속도가 변한다고 설명했습니다. 비균일 운동의 개념을 도입하여 프톨레마이오스는 천체들의 관측 데이터와 운동 경로를 설명하고 예측할 수 있었으나 이는 실제 천체의 운동과는 정확하게 일치하지 않았습니다.

 

 

이처럼 여러 가정을 두고 천체들의 움직임을 설명하려 했으나 천동설에는 다음과 같은 문제점 역시도 많이 있었습니다.

 

• 별의 연주 시차

별의 연주 시차는 지구가 공전하는 동안에 별이 나타내는 위치의 변화를 의미합니다. 천동설은 지구가 정지한 중심에 위치하고 있는 것을 가정하고 있으며, 별들은 지구 주위를 움직이는 것으로 설명되기 때문에 천동설에 따르면 별들의 위치는 변하지 않아야 합니다. 하지만 별의 연주 시차를 관측하면 별들의 위치가 시간에 따라 약간씩 이동한다는 것을 알 수 있습니다. 이것은 지구가 공전하는 동안 별들의 위치가 변하는 것을 의미합니다. 이러한 관측 결과는 지구의 움직임을 반영하고 있으며, 천동설과 어긋나는 증거로 해석됩니다.

 

• 금성의 위상 변화

프톨레마이오스의 천동설의 모형에 따르면 지구를 중심으로 수성, 금성, 태양, 화성 ~ 순서로 이어집니다. 따라서 금성은 초승달 또는 그믐달 모양으로만 관측되어야 하는데 실제로는 달과 같이 다양한 위상 변화가 관측됩니다. 이러한 금성의 위상 변화 역시 천동설이 설명하지 못하는 한계점으로 해석됩니다.

 

 

프톨레마이오스 천동설은 당시 천문학의 주요 이론으로 받아들여졌으나 이후 코페르니쿠스의 지동설이 등장하며 대체되기 시작했습니다. 프톨레마이오스 천동설은 과학적으로 정확하지 않지만, 그 당시 천문학의 발전에 큰 역할을 한 이론 중 하나입니다.

 

 

2. 코페르니쿠스의 지동설

코페르니쿠스의 지동설 모형 (출처: 에듀넷)

 

코페르니쿠스는 “천구의 회전에 관하여 (De revolutionibus orbium coelestium)”라는 책을 1543년에 출간하면서 지동설에 대한 이론을 발표했습니다. 코페르니쿠스의 주장은 지구를 포함한 행성들이 태양을 중심으로 일정한 궤도를 도는 것으로 설명했는데, 이를 지동설 또는 태양 중심설이라고 합니다.

 

코페르니쿠스의 지동설은 당시에는 혁신적이고 도전적인 주장으로 여겨졌습니다. 16세기는 종교 개혁이 일어났던 시기로로 당시 교계는 유럽 대부분의 국가에서 교황을 중심으로 교회의 권력을 행사했으며, 교황은 정치적인 영향력도 갖고 있을 정도로 막강한 권력을 지니고 있었습니다. 당시 종교계의 입장은 프톨레마이오스의 천동설을 수용하고 있었기에, 코페르니쿠스의 지동설은 종교적인 권위에 부딪히는 내용이었기 때문입니다.

 

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코페르니쿠스에 대한 교계로부터의 탄압은 일반적으로 알려진 것보다는 조금 덜 엄격한 범위에서 이루어졌습니다. 책을 출간할 당시 1543년, 교회는 지동설과 같은 새로운 이론들에 대한 반대를 확고히 하지 않았습니다. 코페르니쿠스 역시 책의 서론에서 이론적인 성격을 강조하기도 하고, 일부 문장에서 지동설열 명시적으로 주장하지 않고 암시적인 표현을 사용하며 교회와의 갈등을 피하고자 노력을 하였습니다. 또한 코페르니쿠스는 당시 폴란드 왕국의 왕실에서 중요한 지위에 있었다는 점 또한 교회의 간섭을 어느 정도 피할 수 있었던 이유로 여겨질 수 있습니다.

 

하지만 이후 몇십 년 동안 코페르니쿠스의 작품은 천주교 교회의 지적인 반대와 논쟁을 일으키게 되었습니다. 특히 17세기에 들어서면서 갈릴레오 갈릴레이의 지동설 지지와 그를 포함한 타 과학자들의 연구와 실험적인 증거들이 더욱 강해지면서 교회의 반대가 강화되었습니다. 교회는 지동설과 같은 새로운 이론들이 기독교 신앙과는 어울리지 않는 것으로 여겨지고, 이단적인 주장으로 비난하고 탄압하기 시작했습니다.

 

 

3. 갈릴레오 갈릴레이의 지동설 증명

갈릴레오 갈릴레이는 코페르니쿠스의 지동설을 연구하고 발전시키는 데 큰 역할을 했습니다. 그는 천체들의 운동을 관찰하고 실험을 통해 지동설을 뒷받침하는 증거를 모았으며, 이를 통해 천문학적인 패러다임 전환을 이끌어냈습니다. 갈릴레오 갈릴레이는 다음과 같은 방법과 증거를 통해 지동설을 증명했습니다.

 

• 망원경을 이용한 천체 관측

갈릴레오는 자신이 개발한 망원경을 사용하여 천체들을 관찰했습니다. 이를 통해 달의 표면의 산과 계곡, 목성의 위성들, 금성의 위상 변화 등을 자세히 관측하여 지동설을 뒷받침하는 증거를 찾게 됩니다. 

 

참고로 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 단기간에 만들었다는 주장은 사실이 아닙니다. 갈릴레오는 이전의 광학적 발견과 연구를 참고하였고, 여러 가지 실험과 수정을 거쳐 망원경을 완성하였습니다.

 

• 달의 관측

갈릴레오는 망원경을 이용하여 달의 상태를 자세히 관찰했습니다. 그의 관측 결과로부터 달의 표면에 존재하는 산과 계곡, 그림자의 길이 변화, 달의 모양의 변화 등을 관찰했고, 이는 지구 중심 주장보다는 지동설을 더 잘 설명하는 것으로 나타났습니다.

 

• 명확한 목성 위성 관측

갈릴레오는 목성 주변에서 돌아다니는 명확하게 분리된 네 개의 위성을 관측했습니다. 이 관측 결과는 프톨레마이오스의 천동설에서는 설명하기 어려운 현상으로, 지동설을 지지하는 중요한 증거로 여겨졌습니다.

 

• 금성의 위상 변화

갈릴레오는 망원경을 사용하여 금성을 관측하였고, 금성이 태양과 지구 사이를 이동하는 과정에서 보이는 위상 변화를 설명했습니다. 이로부터 금성이 태양의 주변을 도는 것을 확인하였고, 갈릴레오는 이를 지동설의 증거로 제시하며, 지구 중심 주장인 천동설로는 설명할 수 없는 현상이라고 주장했습니다.

 

코페르니쿠스와 달리 갈릴레오는 지동설을 대중에게 널리 알리고 주장하는 데에 큰 역할을 했습니다. 그는 책과 토론 등을 통해 지동설을 홍보하고 그 근거를 제시했고, 교회와 교리적인 권위에 더 직접적으로 도전하는 것으로 인식되었습니다.

 

 

 “Eppur si muove“. 이탈리아어로 ‘그럼에도 불구하고, 지구는 움직인다‘라는 뜻으로, 모두가 한 번쯤은 들어본 적이 있을 것입니다. 1633년, 갈릴레오는 로마 재판회에서 지구 중심주의와 충돌하는 주장을 철회하고 그의 주장을 부인해야 했는데, 이때 갈릴레오가 철회 문서에 “Eppur si muove”라는 문구를 추가하였다는 이야기가 흔히 알려져 있습니다. 하지만 갈릴레오의 생애 동안 해당 문구를 남긴 글이 없으며, 그런 말을 한 것도 역사적으로는 입증되지 않았다고 합니다.

 

그럼에도 갈릴레오의 업적이 과학과 천문학의 발전에 큰 영향을 끼친 것은 사실입니다. 갈릴레오가 탄압을 받으면서도 실험과 관측을 통해 증명을 계속 해오지 않았다면, 과학은 지금처럼 발전하지 않았을지도 모릅니다. 끝까지 관측결과를 믿고 자신의 신념을 굽히지 않고 진실을 전하고자 했던 갈릴레오 갈릴레이에 대한 존경의 마음을 표합니다.