지동설과 천동설

지동설이란 무엇일까?

 

지동설은 태양이 우주의 중심으로 지구는 행성 중 하나로 나머지 행성들이 태양 주위를 돌고 있다는 이론. '일심설(日心說)' 또는 '태양 중심설'이라고도 한다.

과거부터 지구가 거대한 불 중심을 돌고 있다라는 생각은 자연철학 적인 견해에서 존재했고, 아리스토텔레스도 지구중심설을 주장하면서도 이 가능성을 수용할 정도였다. 이론화된 태양중심설은 헬레니즘 시대의 아리스타르코스가 태양은 달보다 훨씬 멀리 떨어져 있고 따라서 태양은 달이나 지구보다 훨씬 크다는 것을 밝혀내면서 시작되었다. 아리스타르코스는 달, 태양, 지구가 이루는 삼각형에서 한 각만 알면 거리비를 구할 수 있다고 생각했고 일식 때 달이 태양을 가리기 때문에 크기 비율도 거리 비율과 같을 것이라 생각했다. 또한 개기월식이 진행되는 시간으로 지구의 그림자 크기를 계산하고 이 방법으로 지구, 달의 크기 비율을 알아냈으며, 지구, 태양의 크기 비율을 알고 크기가 작은 지구가 태양을 도는 것이 자연스럽다고 생각해 태양중심설을 정립하게 된다.

그러나 당시의 천문 관측 기술로는 지구가 움직인다는 증거를 찾기가 어려웠고(일례로 연주 시차), 물체의 움직임에 대한 관념과도 맞지 않아, 300여년 뒤 지구가 움직이지 않는다는 것을 전제로 한 지구중심설이 진리로 받아들여졌다. 이후 코페르니쿠스와 갈릴레오 갈릴레이 등의 천문학자들이 새로운 관측 증거들을 바탕으로 태양중심설을 들고 나왔고, 요하네스 케플러의 행성운동법칙, 아이작 뉴턴의 새로운 운동 법칙을 통해 지구가 움직일 수 있는 원동력을 설명할 수 있게 되면서 지구중심설을 밀어내는 데 성공했다.

나중에는 태양도 우주의 중심이 아니라는 것까지 알게 되었지만(그래서 엄밀히 말하자면 태양 중심설도 틀린 것이 된다.), 편의상 아무 데나 잡아야 하는 우주상의 좌표 중점을 흔히 태양으로 잡는다. 적어도 태양계에 한해서는 계 전체의 질량중심이 태양에 극히 가까우므로, 태양에 중점을 둔다 해도 거의 옳으며 운동을 깔끔하게 설명할 수 있다.

조선시대 이순지(1406년~1465년)는 코페르니쿠스보다 100년 앞서, 월식을 보고 월식이 진행될 때 보이는 그림자가 바로 지구의 그림자이며, 그 그림자가 둥글다는 것을 관찰하여 “지구는 둥글고 해 주위를 돈다.”고 주장했다. 당시의 중국이나 조선의 우주관은 <천원지방(天圓地方)> 곧 “하늘은 둥글고 땅은 네모나다”였기 때문에 이런 발상은 당시엔 혁명적인 것이었다. 다른 문신들이 '그렇다면, 월식이 언제 발생하는지를 증명해낸다면 그 말을 믿겠다'고 했고, 이순지는 월식이 몇 년 몇월 몇일 몇시 몇분에 발생해서 언제 끝나는지를 계산했고, 그의 증명에 의해 같은 시각 월식이 발생하는 것을 보고 다른 문신들 또한 그러한 주장을 믿게 되었다. 다만, 기록상 지동설을 최초로 주장한 사람은 기원전 3세기의 고대 그리스 천문학자 아리스타르코스이며, 그 전에도 지구는 돈다는 인류의 주장은 있어 왔다.

 

천동설이란 무엇일까?

 

천동설은 움직이지 않는 지구가 우주의 중심에 있으며 그 주변을 태양과 달, 그리고 당시까지 발견되었던 5개의 행성이 돈다는 설. 지구 중심설이라고도 불린다.

프톨레마이오스의 그럴듯한 주장을 비롯하여 중화권 등 다른 문명에서도 흔히 나타날 정도로 근대에 이르기까지 인류 천문학의 주류이던 학설. 물론 자연과학의 발전으로 폐기되었다.

 

근대적인 천문학이 연구되기 전까지는 천동설이 더 설득력 있는 이론이었다.

먼저 '자신이 두 발을 땅에 붙이고 있는' 지구가 움직인다는 것이나, 누구나 하늘만 보면 뜨고 지는 것을 알 수 있는 태양이 '사실은 고정되어 있다'는 것을 고대인들은 직관적으로 받아들이지 못했다. 지동설이 받아들여진 지금도 일출과 일몰처럼 해가 움직이는 것으로 표현하고 한국 영화 해가 서쪽에서 뜬다면도 있었으니, 여긴 그대로인데 저것들만 움직인다고 생각했다. 관측자가 운동의 중심을 자신으로 두는 것은 어찌보면 당연한 일이었다.

플라톤에 의해 동심원 모델이 등장하였고 에우독소스가 플라톤의 모델을 상당부분 개량했으며, 아리스토텔레스에 의해 동심원 모델이 확립되었다. 2세기 경의 천문학자 프톨레마이오스는 천동설을 집대성하여 '알마게스트'를 저술하였다. 그는 이심원 모델과 주전원(epicycle) 모델, 이심점 모델을 이용하여 동심원 모델이 갖고 있는 오류들을 수정하였다. 즉, 궤도의 중심 자체가 지구 주위를 감싼 가상의 원(deferent)을 따라 공전하고 있다는 것이다. 위성의 궤도에서 행성만 쏙 빼놓은 셈이다. 이러한 방법은 비록 여러 개의 주전원을 사용하는 등 복잡하긴 하지만 겉보기 운동을 매우 수학적으로 정교하게 설명할 수 있었다.

 

당시 천동설은 금성과 화성 등의 불규칙한 위치 변화를 설명하기 위해서 복잡한 궤도를 그려냈어야 했으나, 결과적으로는 당시까지 관측된 천체들의 움직임을 설명하는데 성공했기 때문에 민중과 학계 모두에서 널리 받아들여졌다.

아리스토텔레스와 프톨레마이오스는 천동설을 주장한 대표적인 학자였지만, 우주 구조에 대한 두 가지 관점은 양극단에 있다고 볼 수 있다. 그 이유로는 아리스토텔레스가 우주의 구조에 대한 철학적 의문에 집중했던 반면, 프톨레마이오스는 우주의 구조를 수학적 모델을 통해 설명하려는 것에 집중하였기 때문이다.

이 시대에는 사람들이 흔히 생각하는 것처럼, 고대인들이 그냥 '내가 땅에 발 딛고 가만히 있으니 지구는 고정되어 있고 하늘이 움직이겠지' 라고 생각한 것은 아니다. 이미 저런 주전원 궤도를 만들 수 있을 정도로 정교한 천문 관측 자료가 축적되어 있었고, 지동설에 대한 이론이 아리스타르코스에 의해 제기된 바 있고, 아리스토텔레스 역시 지동설을 검토할 가치가 있는 가설로 간주했다.

그러나 관측 자료를 바탕으로 한 이론에서는 천동설이 이미 충분히 설명이 가능했다. 게다가 천체의 움직임에 대한 설명에서, 역학의 보조는 필수 불가결했다. 고대 그리스인들이 믿은 역학 체계는, 무거운 것, 불순한 것은 우주의 중심으로 가라앉고, 가벼운 것, 순수한 것은 우주의 바깥으로 떠 있는 형태였다. 물보다 흙이 불순하기 때문에 땅이 되는 것이고, 물보다 공기가 순수하기 때문에 공기가 위에 뜨는 것이며, 공기의 바깥, 즉 우주에는 에테르라는 물질이 존재한다고 믿었다. 천체들은 에테르로 이뤄진 특수한 존재이며, 지상의 불순한 존재들과는 다른 역학 법칙이 적용된다고 믿었다. 저런 괴상한 주전원 궤도가 가능하다고 믿어진 것은 그런 맥락에 있다. 반면 이런 역학 체계에서는 지동설이 낄 자리가 없었던 것이다.