태양중심설:코페르니쿠스 체계

코페르니쿠스 체계의 장점


코페르니쿠스의 이 같은 변혁은 프톨레마이오스의 우주 구조가 지니는 몇 가지 문제점을 해결해 주었다.

① 지구를 주위로 한 행성들 배열의 순서와 그것들의 주기가 지닌 문제
프톨레마이오스의 우주 구조는 회전주기가 짧은 행성을 중심으로부터 가까운 궤도에 위치시켰다. 따라서 바깥에서부터 회전주기가 감소하는 순서로 배열되어 있고, 맨 안쪽에는 달의 궤도가 있다. 그러나 이 구조에 의하면 태양과 수성, 금성은 모두 회전주기가 약 1년 정도로 비슷해서 이들 사이의 순서가 문제가 되었다. 이는 수성과 금성이 실제로는 태양의 주위를 도는데 이를 억지로 지구의 주위를 돌게 가정해서 생기는 문제이기 때문에, 태양 주위에 (회전주기가 가장 작은) 수성부터 (그 당시 관측할 수 있었던 행성 중 회전주기가 가장 큰) 토성까지 순서대로 배열된 코페르니쿠스의 우주 구조에서는 이 문제가 나타나지 않는다. 

② 행성들의 역행운동(retrograde motion)
행성들의 역행운동은 고대부터 관측되어 왔으나, 프톨레마이오스의 우주 구조에서는 간단하게 설명되지 않았다. 우주의 중심에 지구가 정지해 있고, 그 주위를 행성이 도는 구조에서는 이 같은 현상이 일어날 수 없기 때문이다. 프톨레마이오스는 이 현상을 주전원(epicycle)을 사용해서 설명했지만, 코페르니쿠스의 체계에서는 이 같은 행성의 역행운동을 굳이 주전원을 사용하지 않고도 우주 구조 자체로서 설명할 수 있다.

③ 내행성(inferior planet)(수성과 금성)이 태양으로부터 유한한 거리 안에서 운동하는 문제
지구 중심의 우주 구조에서는 태양과 내행성이 지구를 중심으로 각각 독자적인 원운동을 하기 때문에, 내행성의 운동범위가 한정될 이유가 없다. 하지만 코페르니쿠스 우주 구조에서는 태양을 중심으로 한 내행성의 궤도가 완전히 지구의 궤도 속에 포함되어 있기 때문에, 태양과 행성 사이에는 최대 이각이 존재하게 된다. 따라서 세 번째 문제에 대해서도 코페르니쿠스의 체계는 주전원이나 별도의 가정이 없이, 우주 구조 자체만으로 설명이 가능하다.

코페르니쿠스 변혁의 한계
코페르니쿠스의 변혁은 가히 혁명적이었지만, 아리스토텔레스와 프톨레마이오스의 우주관의 전체 골격은 그대로 두고 세부만 바꾼 변혁이었다. 기존의 우주구조의 기본 요소인 천구는 그대로 존재했고, 행성과 지구는 여전히 이 천구들에 고정되어 돌게 되어 있었다. 무엇보다도 원을 중요시하는 경향을 코페르니쿠스도 그대로 고수했다. 천체의 가장 자연스러운 운동을 등속원운동으로 생각하여 그 당시의 부정확한 관측 데이터에 맞추기 위해 주전원, 이심 등을 그대로 도입하였다.

태양중심설의 정립
요하네스 케플러(Johannes Kepler, 1571.12.27~1630.11.15)는 덴마크의 천문학자 튀코 브라헤(Tycho Brahe 정확한 천문 관측 데이터를 바탕으로, 행성의 운동에 타원궤도를 도입하여 1609년 「신천문학(Astronomia Nova)」에 행성의 운동 속도에 대한 두 가지 법칙을 발표했다. 케플러의 제 1 법칙은 "행성은 태양을 초점으로 하는 타원을 따라 돈다.", 제 2 법칙은 "태양에서 행성까지 연결한 선은 동일한 시간에 동일한 면적을 쓸고 지나간다"는 것이다. 또한 10년 뒤 1619년에「세계의 조화(Harmonice Mundi)」에서 "행성의 주기의 제곱에 대한 행성궤도의 평균 반지름의 세제곱의 비율은 태양계 내의 모든 행성에 대해 일정하다."는 제 3 법칙을 발표했다. 케플러의 세 법칙으로부터 천체는 등속원운동을 해야 한다는 굴레에서 벗어났으며, 주전원, 이심 등이 필요하지 않게 되었다. 이로써 우주의 구조는 기하학적 도형과 간단한 속도 법칙에 의해 행성의 운동이 거의 완전히 기술할 수 있게 된 것이다. 다들 들어봤을 것이다.


금성의 위상 변화
이후 망원경을 고안한 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei 1564.2.15 ~ 1642.1.8)의 관찰로부터 코페르니쿠스 체계를 뒷받침할만한 증거들이 발견되었다. 망원경을 통해 하늘에는 무수히 많은 별이 있다는 것, 별들의 크기가 맨눈으로 보았을 때보다 훨씬 작다는 것을 발견하였다. 이것은 별들의 거리가 시차가 관측되지 않을 만큼 멀리 떨어져 있다는 것을 의미한다. 또한 망원경을 통해 본 달의 표면이 지구의 표면과 비슷하고, 태양에서도 움직임이 불규칙한 흑점이 있다는 것을 관찰하면서 완전한 것으로 여겨졌던 천상계가 불완전한 지상계와 다르지 않다는 것을 알게 되었다. 무엇보다도 주기적으로 바뀌는 금성의 크기와 밝기를 관측한 것은 코페르니쿠스 체계에 대한 강력한 증거가 되었다. 이후 아이작 뉴턴(Isaac Newton 1642?1643?~ 1727)의 만유인력에 바탕을 둔 궤도해석과 제임스 브래들리 (James Bradley 1693.3~1762.7.13)의 광행차 발견(1727), 프리드리히 베셀(Friedrich Wilhelm Bessel 1784.7.22 ~ 1846.3.17) 등의 연주시차의 검증(1838)에 의하여 태양중심설은 확고한 것이 되었다. 

현대 과학의 관점
태양 중심 관점 또한 엄밀한 의미에서 옳지 않다는 생각은 단계적으로 형성되었다. 태양은 우주의 중심이 아니라 무수히 많은 별 중의 하나라는 것은 신비주의자 조르다노 브루노(Giordano Bruno, 1548~1600.2.17)에 의해 강하게 주장되었다. 갈릴레오 갈릴레이도 같은 견해를 가지고 있었지만 교회의 노여움과 부딪치는 것을 원하지 않아 그 문제에 대해서는 거의 말하지 않았다. 18세기와 19세기가 지나면서, 태양의 지위가 단지 많은 별 중 하나에 불과하다는 것은 점점 명백해졌다. 20세기 무렵, 심지어 아직 많은 은하가 발견되지 않았음에도 불구하고, 그것은 더 이상 화제가 되지도 않았다. 태양계에서만 생각해보더라도 태양은 어떤 행성의 궤도의 기하학적인 중심이 아니라 타원궤도의 초점 중 하나이다. 게다가 행성의 질량이 태양의 질량과 비교했을 때 상대적으로 클수록 그 항성계의 질량중심은 어머니 항성의 중심에서 더욱 먼 곳에 있게 된다. (행성들의 질량은, 목성의 경우, 태양 질량의 0.14%에 달한다) 그러므로 태양의 운동에 흔들림이 있는 것을 통해 행성의 존재를 추측할 수 있다. 마찬가지로 태양 외 다른 항성들이 떨리는 것을 통해 외계 행성들이 존재함을 알 수 있다.

지구 중심과 태양 중심의 현대적 이용
현대적인 계산에서는 좌표계의 원점과 방위는 선택되어야 한다. 실제적인 이유로 태양을 원점으로 하거나 태양계의 질량 중심을 원점으로 하는 체계가 자주 선택된다. 부수적인 것들은 이 좌표계에 따라 결정될 것이다. 하지만 좌표계를 그렇게 선택하는 것이 철학적인 의미나 물리적인 의미를 가지고 있는 것은 아니다.