4. 천문학혁명

새로운 우주체계의 등장

과학혁명 전후의 비교

1500년경 1700년경
학자 프톨레마이오스 → 코페르니쿠스 → 튀코, 케플러, 갈릴레오 → (뉴턴)
지구의 위치 우주 중심 우주 외곽 또는 무의미
우주의 크기 유한 엄청 큼 또는 무한
천상계의 본성 완전무결 천상과 지상의 구분 없음
행성운동 등속 원운동들의 합성 부등속 타원운동

과학혁명 이전 학문의 위계

  • 자연철학: 세상은 “왜 (why)”?
    • 자연현상의 “본성(nature)”과 “본질(essence)”을 다루는 학문
    • Qualities와 Causes 탐구 → 변화 메커니즘에 대한 “이해(understanding)” 추구
  • 응용수학: 세상은 “어떻게(how)?”
    • 추상세계의 잣대를 현실 세계에 들이대기! But 자연을 이해하는 도구로서는 근본적 한계가 있다고 인식
    • 온냉건습 , 성질의 변화 , 최종인 등 자연의 본질적 속성을 다루기엔 부적합
    • 자연현상의 부수적 속성인 양적 측면만을 다루는 학문
    • 수학(기하학)을 활용하여 현상을 정량적으로 묘사 하고 기술 하는 것이 목표

고중세 천문학의 경험론

  • 천문학은 자연철학의 원리를 충실히 따라야 한다는 종속적 위치
  • 천문학의 목표: 기하학적 모델을 고안하여 “현상을 구제하는 것(save the phenomena)”
    • 자연철학자가 말하길 , “완벽한 천상계의 물체는 (등속) 원운동을 한다!”
    • 천문학자의 고민거리 : 이동속도와 경로가 불규칙한 “떠돌이별들”
    • 프톨레마이오스의 해법: Epicycle, Eccentric, Equant의 적절한 조합
  • 이후의 발전: 더 정확하게!
    • “정확성”을 위해 “단순성” 희생: Epicycle의 개수 증가
    • 개량의 개량을 거듭하며, 관측 데이터와 행성모형 간의 미세한 양적 불일치 줄이기 위해 노력

코페르니쿠스

코페르니쿠스의 신상명세

  • 1491-1494, 폴란드 크라쿠프 대학
  • 1497-1503, 이탈리아 유학
  • 1512년 귀국 후 교회 행정가로 활동
  • 1514년, 미출간 논문 <코멘타리올루스>
  • 1543년, <천구의 회전에 관하여> 출간
  • 당대 최고의 프톨레마이오스설 전문가

『천구의 회전에 관하여』

책의 구성

  • 제1권 태양중심체계에 대한 개괄적 소개
  • 제2권 천체 위치 계산법 설명
  • 제3권 지구의 궤도 운동 계산법 설명
  • 제4권 달의 궤도 운동 계산법 설명
  • 제5권 행성의 궤도 운동 계산법 설명
  • 제1권을 제외하면, 극도로 난해한 전문가용 서적. 지구의 운동을 제외하면 전통적인 수리행성 천문학
  • 내용의 핵심
    • (1) 우주의 중심은 지구가 아니라 태양 (2) 지구에 자전과 공전 운동 부여 → 행성 궤도 설명
    • 지구중심체계에서 복잡한 가정을 도입해 설명해야 하는 몇 가지 천체현상 → 더 간단하게 해명

태양중심설의 장점

  • 행성의 역행
    • 프톨레마이오스: “주전원”이라는 별도의 가정 필요
    • 코페르니쿠스: “우주구조” 자체로 설명 가능 → 역행은 실제가 아니라 겉보기 운동
  • 내행성 최대이각
    • 프톨레마이오스: “주전원”과 또 하나의 “보조가설(지구와 태양 사이 일직선상에 내행성의 주전원 중심이 위치한다)” 필요
    • 코페르니쿠스: 역시 “우주구조” 자체에서 비롯되는 겉보기 현상
  • 행성의 배열 순서
    • 프톨레마이오스: 지구(중심) < 달 < 수성=금성=태양 < 화성 < 목성 < 토성
      • 변형으로 플라톤은 태양 < 수성< 금성, 카펠라는 수성과 금성은 태양 주위를 돈다고 주장
    • 코페르니쿠스: 태양(중심) <수성 < 금성 < 지구 < 화성 <목성 <토성
  • 지구중심설에서 설명 불가능한 현상들인가? No! 따라서, 태양중심설을 증명한 것 아님! 코페르니쿠스는 단순성, 심미성, 조화, 질서 같은 플라톤주의적 가치에 호소

코페르니쿠스의 의의

코페르니쿠스설의 함의 — 혁명적 측면

  • 지구도 하나의 “행성”
    • 우주의 ‘중심’ 에서 우주의 ‘외곽’ 으로
  • 천상계와 지상계의 구분 흔들리기 시작
  • 우주의 규모 변화

코페르니쿠스설의 보수성

  • 『천구…』 제1권 제11절 “지구의 세 가지 운동 증명”
    1. 자전 : 지구는 자신의 축 주위를 “서 → 동”방향으로 하루에 한 바퀴 회전
    2. 공전 : 지구는 태양 주위를 “서 → 동” 방향으로 1년에 한 바퀴 회전
    3. 회전축의 선회운동 : 1년 주기 / 운동 방향은 (2)와 반대
    4. 지구가 수정천구에 붙어서 태양 주위를 돈다는 생각을 유지했기에 (3)이 도입된 것
  • 원운동에 대한 집착
    • "천체는 원운동을 해야 한다"는 고대 자연철학의 원칙 충실히 계승
    • 하지만, 단순 원운동만으로는 행성의 궤도 계산 불가능.
    • 실제 행성 궤도를 다룬 『천구…』 제2권-제6권에는 수많은 주전원들이 사용됨.
  • '천문학'으로서의 '태양중심체계'
    • 천문학의 지상목표는 천체의 운동을 '정확히' 계산하고 예측하는 것
    • 이런 측면에서 코페르니쿠스 체계는 프톨레마이오스 체계보다 얼마나 더 우월했는가?
    • 태양중심체계도 여전히 복잡한 체계

당대의 수용 양태

  • 현상의 구제 & 도구성
    • 오시안더의 서문: 천문학자의 일은 천체의 관측결과와 일치하도록 기하학의 원리를 사용해 가설적 모형을 고안하는 것이다 … 이러한 가설이 반드시 사실에 근사할 필요는 없다 … 어떤 확실성도 기대해선 안 된다…
    • 네덜란드의 천문학자 프리시우스: 우리가 별의 운동과 주기에 관한 쓸만한 모형을 얻을 수만 있다면 , 그리고 그것이 정확한 계산에 의해 단수화될 수만 있다면 , 지구가 움직이든 움직이지 않든 그것은 내게 중요한 문제가 아니다.
  • 마치 지구가 운동하는 것처럼 가정하고 계산하는 것은 “현상을 구제하기” 위한 또 다른 독창적 시도로 받아들여짐
    • 에라스무스 라인홀트(1511-1553)가 새로운 천문표를 작성하는 데 코페르니쿠스설을 활용

코페르니쿠스에 대한 평가

  • 코페르니쿠스 태양중심설의 목표는 “고대 천문학을 뒤엎는 것”이 아니라 “원래의 순수성”을 회복(문예부흥 인문주의적 사고)하는 것
    • 최초의 근대 천문학자라기 보다는 최후의 고대 천문학자
    • 과거 전통의 “최정점” 이자 새로운 전통의 “씨앗”
  • 코페르니쿠스설은 "괴물"같은 프톨레마이오스설보다 "우아하다"
    • 코페르니쿠스가 내세운 핵심적 장점은? equant를 활용하지 않는다

“복잡한 기하학적 구성물로 가득찬 프톨레마이오스 체계는 천문학적 “괴물” 이다 […] 특히 equant 가설 활용은 사실상 행성이 등속원운동 한다는 제1원칙을 어기는 것이다 . […] 순수한 형태로 복원해야 한다.”

  • 물리적 실재와 부조화에 대한 (상대적) 무관심
    • 코페르니쿠스의 지구 운동 개념은 천문학의 기술적인 문제를 해결하는데 효과적인 기법을 찾다가 나온 부산물

케플러

케플러 신상명세

  • 오스트리아 출신 수학교사
  • 계산에 탁월한 재능
  • 모태 코페르니쿠스주의자 — 물리학적 실재로서 태양중심설 접근
  • 신플라톤주의, 수비학적 신비주의, 점성술 탐닉
    • 케플러의 신비주의적 성향을 보여주는 『우주구조의 신비』(1596년)
      • 우주에는 조화롭고 수학적인 질서가 존재한다고 생각
      • 행성을 움직이는 동력은 태양으로부터 방출되는 anima motrix
      • 왜 행성은 하필이면 여섯 개 존재하는가? — 정다면체의 수가 여섯개이기 때문

케플러의 성취 — 행성궤도법칙 규명

  • 튀코 브라헤(관측천문학의 대가)와의 인연
  • 우선권 논쟁 : 튀코 vs. 라이머스 우르서스 → 케플러 고용(튀코 우주체계의 우월성 입증 임무)
  • 튀코 사망(1601년): 튀코의 뒤를 이어 신성로마제국 황실수학자 역임
    • 튀코의 관측 자료에 맞는 화성 궤도 모델 고안 노력 → 주전원 , 이심원 등을 활용했지만 8분 이상 오차
    • “행성이 따라야 하는 ‘단순한’ 법칙이 반드시 존재할 것” 이라 믿음 → 원 궤도 폐기 , 타원 궤도 도입
  • 케플러의 3법칙
    • 제1법칙 (1609) : 행성 궤도는 타원 / 초점에 태양
    • 제2법칙 (1609) : 면적속도 일정의 법칙
    • 제3법칙 (1619) : 거리3 ∝ 주기2 — 우주의 구조에는 수학적 질서 존재

케플러의 발견의 배경

  • 법칙 발견을 위한 요건
    • 사전에 코페르니쿠스주의자여야 했음
    • 티코의 정밀 관측 자료 필요했음
    • 우주의 조화로운 수학적 체계에 대한 믿음
      • 『우주구조의 신비』에서 들고 나왔던 정다면체로서의 행성 궤도 법칙 & 제3법칙
      • 행성운동의 원인으로서의 태양 & 제2 법칙의 초기 형태
  • 제3법칙 vs. 폐기된 『우주구조의 신비』
    • 다른 여타의 법칙 발견을 위한 노력과 3법칙 발견을 위한 노력은 동등
    • 흑역사였던 『우주구조의 신비』에서의 노력이 없었다면 3법칙 발견도 불가능

케플러에 대한 당대 반응

  • 천문학자들의 반응: 코페르니쿠스 체계 vs 케플러 체계
    • 코페르니쿠스 체계에 대한 반응: 천문학 계산 도구로서 프톨레마이오스 체계보다 개선된 바가 많지 않다!
    • 케플러 체계에 대한 반응: 관측 데이터와 정확히 일치 / 행성 궤도 정밀 예측 가능
    • 대다수의 천문학자들이 케플러의 타원궤도 수용
    • "천문학 본연의 목표(수학적 예측)" 에 정확히 부합했기 때문
  • 일반인 & 자연철학자들의 의심
    • 하지만 태양중심설 및 타원궤도를 "물리적 실재"로 고려한 사람은 그리 많지 않았음
    • 자연철학자들 : (1) 운동학적 문제들 & (2) 부등속 타원 운동? → "운동 원인"이 무엇이냐??
  • 태양중심설을 ‘물리적 실재’로 신봉했던 사람들의 과업은?
    • 아리스토텔레스 자연철학의 “고도의 체계성” 때문에 발생하는 운동학적 문제를 해결해야 할 필요성
    • 이런 측면에서 '천문학 혁명'은 '역학 혁명'을 잉태하고 있었음!