수학으로 발전하는 천문학

지동설은 태양이 중심이고 지구가 태양의 주위를 돈다는 학설입니다. 이전까지는 태양이 지구의 주위를 돈다는 천동설이 주류였는습니다. 그런데 지구 밖으로 나가서 직접 육안으로 확인할 수도 없었던 시대에 어떻게 지동설이 나왔을까요? 바로 수학 덕분입니다. 16세기 유럽에서는 항해술에 꼭 필요한 삼각법과 천문학이 활발히 연구됐습니다. 당시 사람들은 천동설을 믿고 있었는데, 특히 중세 유럽을 지배했던 교회는 천동설을 적극 지지했습니다. 신의 형상을 본떠 인간을 만들었으니 당연히 우주의 중심에 인간을 두었을 것이라는 생각 때문인데요. 천동설에 대한 믿은은 단순히 종교적인 차원만은 아니었습니다. 프톨레마이오스는 '알 마게스트'라는 책에서 천동설을 수학적으로 설명하기도 했으니까요. 하지만 천문학이 발달할수록 '알 마게스트'의 기록과 실제 행성의 위치에 오차가 생겼습니다. 이에 따라 행성들의 위치를 천동설에 맞게 설명하려고 77개의 작은 원을 추가하기도 했다는데요. 이러다보니 천동설은 갈수록 누더기 이론이 됐습니다. 반면 16세기 초 유럽의 지식인들은 자연이 수학이라는 언어로 쓰였다고 생각했는데, 코페르니쿠스도 그런 지식인 중 하나였습니다. 그는 천동설에 의심을 품고 해결책을 찾다가 지구와 태양의 자리를 바꿔서 관측 자료와 비교한 결과 수학적 해결책을 찾았습니다. 행성의 움직임을 지저분하게 만들었던 77개의 작은 원도 반으로 줄었고요. 하지만 교회의 권위가 서슬퍼렀던 중세에 지동설을 얘기하기에는 목숨을 걸어야 할 정도로 위험했습니다. 교회 뿐만 아니라 일반인들도 발을 붙이고 있는 땅, 즉 지구가 돈다는 것을 납득하지 못했다고 합니다. 이렇다 보니 지동설에 동조했다는 사실만 밝혀져도 화형에 처해지는 등 사회는 매우 극단으로 치달았습니다. 하지만 이른 와중에도 자신의 신념을 믿고 계속 연구를 진행한 사람이 있습니다. 바로 이름도 유명한 '케플러'인데 그는 당대 가장 정확히 전체운동을 관측했던 '티코 브라헤'의 조수였다고 합니다. 케플러는 지동설에 따른 행성의 위치와 스승 브라헤의 자료를 비교해보았는데 조금씩 오차가 발생했다고 합니다. 그래서 지동을을 면밀히 검토하는 중에 행성들의 궤도가 '원'이라는 가정에 의심을 품었습니다. 그래서 이 궤도를 '타원'으로 바꿔서 계산해보니 관측 결과와 이론상의 위치가  맞았습니다. 이것이 바로 케플러 제1법칙, 즉 타원궤도의 법칙입니다. 모든 행성은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 운동한다는 것이죠. 케플러는 이런 식으로 수학을 기반으로 태양과 거리가 가까울수록 공전 속도가 빨라져서 태양과 행성의 공전 궤도가 형성하는 부채꼴의 면적은 같다는 케플러 제2법칙(면적속도 일정의 법칙)과 행성의 공전 주기의 제곱은 태양으로부터의 평균 거리의 세제곱에 비례한다는 케플러 제3법칙(조화의 법칙)도 성문화했습니다.