7. 튀코, 케플러, 갈릴레오

새로운 우주체계에 대한 반발과 수용

튀코 브라헤

신상명세

  • 1546년-1601년
  • 덴마크 귀족 집안, 기인
  • 시대에 역행한 보수/반동적 인물?
  • 새로운 지구중심체계 창안

아리스토텔레스설 타파

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  • 코페르니쿠스보다 더 기여했다?
  • 신성(1572년), 혜성(1577년) 관측
    • 신성과 혜성의 거리 측정(일주시차 기법) — 얘네들이 달보다 더 멀리 있어!
      • 달이 2시간동안 움직이는 각도는 30도가 되어야 하는데 관측점은 지구 중심이 아니므로 30도보다 큰 시차가 얻어지는데 이를 지심시차라고 한다.
      • 달은 유의미한 지심시차가 나타나지만 혜성과 신성은 지심시차가 무의미하더라 — 달보다 더 멀리 있다!
    • 천상계가 영원불변하다는 천상계의 완전무결성에 의혹 제기
    • 행성을 운반하는 동인(mover)로 간주되던 수정천구의 존재 반박 (혜성이 천구를 다 뚫고 지나감)

대안 우주체계

  • 태양중심설을 거부한 이유
    • 시차 관측 불가 (내가 유럽에서 관측을 젤 잘하는데 내가 관측을 못함 → 그런 거 없음)
    • 토성과 항성천구 사이의 거리 문제 (토성과 항성천구 사이의 거리가 그 안쪽의 800만 배 — 텅빈 공간이 너무 커서 납득하기 힘들어)
  • 튀코식 우주체계 — Geo-heliocentrric System
    • 지구가 우주의 중심, 다른 행성들은 태양 주위 공전, 태양은 지구 주위 공전
    • 수정천구는 항성천구 하나만 유지, 행성들은 그냥 공간을 회전.
    • 코페르니쿠스설과 수학적으로는 일치
    • 동양까지 전해진 모델 (홍대용의 의산문답)
    • 이때쯤 되면 프톨레마이오스설은 사장되고 튀코설과 코페르니쿠스설이 경쟁
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코페르니쿠스설 튀코설

정밀관측천문학

  • 관측천문학의 대가 (육안 시대의 최고) — 1분 이내의 오차
  • 천문학 패러다임의 변화
    • 코페르니쿠스 시대: 기존 데이터의 수집/분류/정리 → 부정확한 자료와 지난한 싸움
    • 튀코 시대: 기존 자료를 잘 정리한 천문표 존재 → 더 정밀한 새로운 관측자료 필요
  • 튀코의 천문대: 16세기식 Big Science
    • 재력을 겸비한 귀족 집안, 섬 하나를 통째로 천문대로
      • 우라니보르그 천문대: 유럽 역사상 가장 정밀한 관측자료 양산
    • 1581년 천문대 하나 더 건설(스티에르네보르그) — 지하 천문대

요하네스 케플러

신상명세

  • 1571년 생 - 1630년 몰
  • 1589년, 튀빙겐대학 입학
    • 수학교수 미카엘 마에스틀린으로부터 코페르니쿠스 체계 학습
  • 1594년, 오스트리아 개신교 고등학교 수학교사로 임용
  • “계산의 대가”: 천문계산 분야에서 탁월한 재능
  • 1600년, 티코의 초빙 → 프라하 이주, 티코의 조수로 활동
    • 이때쯤 티코의 새 후원자는 덴마크 왕에서 신성로마황제로 이동함
  • 1601년, 티코 사후 후임 신성로마제국 황실수학자가 됨

열렬한 신플라톤주의자

  • 물리적 실재로서의 태양중심체계 신봉
  • 신플라톤주의의 태양숭배사상
    • 행성을 움직이는 동력? 태양에서 방출되는 anima motrix
  • 신비주의적인 수비학적 연관성에 대한 탐닉
    • 우주의 수학적 질서, 조화에 대한 믿음
  • 『우주구조의 신비』(1596년)
  • 코페르니쿠스 체계의 우주적 의미 해명하려 시도
    1. 왜 행성은 여섯 개뿐인가?
    2. 왜 행성들은 태양으로부터 특정한 간격에 배치되는가?
    3. 다섯 개의 정다면체로 여섯 개의 행성의 존재 설명(안쪽부터 8 - 20 - 12 - 4 - 6)
    4. 실제 태양-행성간 거리와 근사적으로 일치

행성궤도법칙 규명

  • 케플러가 튀코에게 초빙되었을 당시 튀코는 라이머스 우르서스와 우주체계를 두고 논쟁 중
  • 튀코: “티코 체계의 우월성을 입증하라!!” 화성 궤도 모형 만들기!
  • 케플러: 티코 사후 본격적으로 임무 수행
    • 티코의 관측자료에 부합하는 화성궤도 모형을 고안하기 위한 노력
    • 주전원, 이심원 등을 활용한 모형 개발에 성공 → 8분 정도의 오차 존재 → 튀코는 4분 이내의 오차로 측정했는데?? → 6년간 작업한 모형 폐기(와장창)
    • “행성이 따라야 하는 ‘단순한’ 법칙이 반드시 존재할 것”이라 믿음
      • 원 궤도 폐기, 폐기 타원 궤도 도입 / 화성 모형 고안
      • 튀코의 자료 활용해 전체 행성에 관한 모형 고안 / 태양중심체계 하에 통합
    • 타원궤도 법칙 (신천문학, 1609년)
      • 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원궤도를 그리면서 공전한다
    • 면적속도 법칙 (신천문학, 1609년)
      • 행성과 태양을 연결하는 가상적인 선분이 같은 시간 동안 쓸고 지나가는 면적은 항상 동일하다
    • 조화의 법칙 (세계의 조화, 1619년)
      • 행성의 공전주기의 제곱은 행성 궤도의 장반경의 세제곱에 비례한다 ($T^2 \propto R^3$)
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  • 부등속 비원형 궤도 발견의 배경
    • 티코 브라헤의 정밀한 관측 자료 필요 (4분 이내의 오차)
    • 코페르니쿠스주의자, 신플라톤주의자로서의 신념
      • 행성 운동의 동인으로서의 태양: anima motrix → “타원궤도”의 법칙, “면적 속도의 법칙”
        • 왜 타원이냐? → 아니마 모트릭스는 자기력과 비슷하기에 행성과 태양의 극(?)이 평행할 때와 수직일 때의 거리가 달라짐
        • 왜 속도가 지점마다 달라지냐? → 아니마 모트릭스가 거리에 따라 약해지기 때문에 멀어지면 느려짐
      • “조화의 법칙” 행성의 궤도 주기와 궤도 크기의 관계 ← 우주의 수학적 조화를 탐닉하다가 얻은 결과 (기하 대신 산술)
      • 케플러가 철없을 때 했던 흑역사들 (정다면체 궤도법칙, 아니마 모트릭스 … ) vs. 케플러의 세 가지 법칙 — 양자는 배치되는 것이 아니고 전자의 연장선상에서 후자의 발견이 이루어진 것
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자기력과 비슷한 원천력? 케플러의 흑역사(…)

케플러 체계에 대한 반응

  • 천문학자들: 덥석 수용 why?
    • 관측 데이터와 정확히 일치 / 행성 궤도 정밀 예측 가능
    • "천문학 본연의 목표"에 정확히 부합했기 때문
    • 코페르니쿠스 때는 "천문학 계산 Tool로서 프톨레마이오스 체계보다 개선된 바가 많지 않다!"
  • 일반인, 자연철학자들: 의문
    • 하지만 태양중심설 및 타원궤도를 "물리적 실재"로 고려한 사람은 그리 많지 않았음!
    • 부등속 타원 운동의 "원인"이 무엇???
    • 아리스토텔레스 자연철학의 “고도의 체계성” 때문에 발생하는 운동학적 문제 해결해야…
      • 천문학 혁명은 (아리스토텔레스설을 총체적으로 붕괴시킬) 역학 혁명을 잉태
      • 과학사에서 진정으로 중요한 패러다임의 전환점은 요하네스 케플러
        • 코페르니쿠스는 최후의 고대 천문학자, 케플러는 최초의 근대 천체물리학자

갈릴레오 갈릴레이

갈릴레오는 앞으로 상세히 분석적으로 다뤄야 하기에 태양중심설 관련된 부분만 간단히

태양중심설 지지

  • 눈에 보이는 증거들이기에 일반인에게 엄청난 호소력!
  • 간접적 증거
    • 울퉁불퉁한 달 표면, 태양의 흑점, 목성의 위성
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월면 스케치 목성의 위성
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흑점 관측
  • 직접적 증거(?)
    • 금성의 위상 변화
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금성의 위상 변화
  • 사실 직접적 증거가 아님
    • 튀코의 대안모형으로도 설명이 가능함.
    • 튀코설은 코페르니쿠스설과 수학적 등가. 프톨레마이오스설이 틀렸다는 증거는 되어도 태양중심설의 증거는 되지 못함
    • 프톨레마이오스설이 폐기되고 튀코설과 코페르니쿠스설이 경쟁하는 데에 기여했음.
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우라니아 여신이 코페르니쿠스설과 튀코설을
저울에 달아보고 있고 프톨레마이오스설은
경쟁에서 탈락해 발치에 놓여 있다.