르네상스와 과학혁명
본문1610년 갈릴레이는 막 만든 망원경을 금성으로 돌렸다. 금성은 달처럼 모양이 바뀌었는데, 초승달 모양일 때는 크고, 보름달 모양일 때는 작았다. 이 관측은 지구가 우주의 중심이라는 1400년 된 프톨레마이오스의 모형에 큰 타격을 주었다. 금성의 모양과 크기가 어떻게 우주 모형을 가를 수 있었을까? 그리고 왜 이 시기 유럽에서 과학혁명이 일어났을까?
1.4.1두 우주 모형의 예측
프톨레마이오스의 지구 중심 모형에서 금성은 늘 지구와 태양 사이에서 작은 원(주전원)을 그리며 돈다. 그래서 금성은 늘 태양보다 가까이 있고, 지구에서는 햇빛을 받는 면의 일부만 보여 언제나 초승달이나 그믐달 모양이어야 한다. 반면 코페르니쿠스의 태양 중심 모형에서 금성은 태양 둘레를 돌므로, 태양 너머에 있을 때는 햇빛 받는 면을 거의 다 보여 둥근 모양이 된다.
금성이 보름달에 가까운 위상까지 모든 위상을 보이고, 둥글 때 작고 가늘 때 크다는 것은 금성이 태양 둘레를 돌아 태양 너머로도 간다는 뜻이다. 이는 지구 중심 모형의 예측과 맞지 않는다.
그림 1에서 금성의 위치를 바꾸어 보자. 지구에 가장 가까울 때는 거리가 0.28 AU, 가장 멀 때는 1.72 AU로 겉보기 크기가 약 6배 차이 난다. 갈릴레이는 이 변화를 관측했다. 다만 지구가 멈춰 있고 다른 행성이 태양을 도는 티코 브라헤의 모형도 금성의 위상을 설명할 수 있어, 논쟁은 케플러와 뉴턴에 이르러서야 끝났다.1
1.4.2과학혁명과 르네상스
16~17세기 유럽에서는 인쇄술로 책과 관측 자료가 빠르게 퍼졌고, 대항해 시대의 항해술과 렌즈를 깎는 기술이 발달했다. 르네상스 화가들은 원근법으로 평평한 벽에 깊이를 그렸는데, 이는 빛이 눈으로 곧게 들어오는 기하학이었다. 장인의 손기술과 학자의 수학이 만나며, 자연을 관측과 실험, 수학으로 설명하는 근대 과학이 태어났다. 코페르니쿠스, 케플러, 갈릴레이, 뉴턴으로 이어진 이 변화를 과학혁명이라 한다.
1.4.3예제 풀이
금성의 궤도 반지름은 0.723 AU, 지구는 1 AU이다. 금성이 지구에 가장 가까울 때와 가장 멀 때의 거리를 구하고, 겉보기 지름의 비를 구하여라. 가장 가까울 때 금성은 어떤 모양으로 보이는가?
가장 가까울 때는 금성이 지구와 태양 사이에 있어 \(1 - 0.723 = 0.277\) AU, 가장 멀 때는 태양 너머에 있어 \(1 + 0.723 = 1.723\) AU이다. 겉보기 지름은 거리에 반비례하므로 비는 \(\dfrac{1.723}{0.277} \approx 6.2\)배이다.
가장 가까울 때 금성은 햇빛을 받는 면을 지구 반대쪽으로 향하고 있어 거의 보이지 않거나 아주 가는 초승달 모양이다. 그러다 멀어지며 점점 둥글어지고 작아진다. 즉 '크면 가늘고, 작으면 둥글다'는 한 가지 관측이 금성이 태양을 돈다는 강력한 증거가 되었다. 맨눈으로는 보이지 않던 이 증거를 망원경이라는 새 도구가 드러냈다.
아래 탐구 카드에서 금성의 모양으로 우주 모형을 가르고, 시계 없이 낙하 법칙을 찾은 실험과 원근법의 원리를 살펴보자.
- 갈릴레이는 발견을 먼저 차지하려고 '사랑의 어머니(금성)가 신시아(달)의 모양을 흉내 낸다'는 라틴어 문장의 글자를 뒤섞은 수수께끼를 케플러에게 보냈다.
지구 중심 모형에서 금성은 늘 초승달 모양이어야 하지만, 갈릴레이는 망원경으로 금성이 모든 위상을 보이고 가늘 때 크고 둥글 때 작다는 것을 관측했다. 이는 금성이 태양을 돈다는 증거였고, 인쇄술, 기술, 예술과 수학이 만난 과학혁명의 상징적 장면이 되었다. 그래서 처음 질문의 답은 '그렇다'이다. 금성의 위상과 크기 변화는 두 우주 모형 가운데 지구 중심 모형을 버리게 했다.