별을 읽은 최초의 사람들

밤하늘은 누구에게나 똑같이 펼쳐지지만, 그것을 하나의 체계로 묶어내는 일은 세 사람의 손을 거쳐야 했다. 한 사람은 지구를 우주의 중심에 놓고도 1500년을 견뎌낼 정확한 예측표를 만들었고, 다른 한 사람은 그 중심을 조용히 태양으로 옮겨 놓았으며, 또 다른 한 사람은 원이라는 오래된 믿음마저 깨뜨려 행성이 실제로 그리는 길을 찾아냈다.

클라우디오스 프톨레마이오스, 니콜라우스 코페르니쿠스, 요하네스 케플러. 세 사람은 거의 1500년의 시간차를 두고 같은 질문 — “밤하늘에서 움직이는 저 빛들의 길을 수학으로 예측할 수 있는가” — 에 답했다. 각자의 답은 앞사람의 지도를 지우고 새로 그리는 일이었지만, 묘하게도 그 지우개 자국마다 앞사람의 흔적이 남아 있었다.

프톨레마이오스: 틀렸지만 1500년을 버틴 지도

프톨레마이오스는 지구가 우주의 중심에 가만히 멈춰 있고, 태양과 달과 행성과 별이 그 주위를 돈다고 믿었다. 당시 사람들의 상식과도, 아리스토텔레스의 철학과도 일치하는 생각이었다. 문제는 행성들이 가끔 하늘에서 거꾸로 움직이는 것처럼 보이는 ‘역행’ 현상이었다. 단순한 원 궤도로는 이 현상을 설명할 수 없었다.

그는 작은 원(주전원)이 큰 원(이심원) 위를 굴러가는 구조를 겹겹이 쌓아, 관측되는 행성의 움직임을 수학적으로 재현해 냈다. 서기 150년경 완성된 『알마게스트』는 이 체계를 집대성한 13권짜리 저작으로, 일식과 월식, 행성의 위치를 상당히 정확하게 예측할 수 있는 표를 함께 실었다. 틀린 전제 위에 세워졌음에도 이 모델은 실제로 ‘작동했다’ — 그리고 그 실용성 덕분에 비잔티움과 이슬람 세계를 거쳐 중세 유럽까지, 천문학의 표준 교과서로 천 년이 넘게 살아남았다.

“나는 죽어야 할 존재이고 하루살이에 불과하다는 것을 안다. 그러나 별들의 끝없는 순환을 좇아 사유할 때, 나는 더 이상 땅을 밟지 않는다.”
— 클라우디오스 프톨레마이오스, 『알마게스트』 서문에 인용된 경구

프톨레마이오스의 체계가 무너진 것은 관측이 틀렸기 때문이 아니었다. 주전원을 계속 추가하면 어떤 관측 결과도 사후적으로 끼워 맞출 수 있었다 — 바로 그 유연함이 역설적으로 체계의 약점이었다. 1500년이 지나, 폴란드의 한 성당 참사회원이 그 복잡함 자체를 문제로 보기 시작했다.

코페르니쿠스: 죽기 직전에야 세상에 내놓은 중심 이동

코페르니쿠스는 성당 참사회원으로 일하며 틈틈이 천문학을 연구한 아마추어였다. 그를 괴롭힌 것은 프톨레마이오스 체계의 부정확함이 아니라 그 ‘지저분함’이었다. 그는 태양을 중심에 놓으면 주전원 몇 개를 걷어낼 수 있고, 행성들의 역행도 지구가 다른 행성들을 안쪽 궤도에서 앞질러 가는 것뿐이라는 훨씬 단순한 설명이 가능하다는 것을 깨달았다.

그러나 그는 이 생각을 거의 30년 동안 발표하지 않았다. 교회의 반발과 동료 학자들의 조롱이 두려웠기 때문이다. 『천체의 회전에 관하여』는 그가 죽은 1543년에야 인쇄되었고, 전해지는 이야기로는 임종 자리에서 첫 인쇄본을 겨우 받아볼 수 있었다고 한다. 흥미로운 사실은, 그가 원 궤도에 대한 믿음은 끝내 버리지 않아서 여전히 주전원이 필요했고, 예측의 정확도는 프톨레마이오스의 체계보다 더 나아지지 않았다는 점이다. 그의 진짜 혁명은 정밀함이 아니라 ‘중심을 어디에 둘 것인가’ 라는 질문 자체를 바꾼 것이었다.

“이 책에서 나는 지구가 움직인다고 가정했다. 누군가는 이를 터무니없다고 여길 것임을 안다. 그러나 수학은 수학자를 위해 쓰였다.”
— 니콜라우스 코페르니쿠스, 『천체의 회전에 관하여』 서문 (1543)

코페르니쿠스가 세상을 떠난 뒤에도 그의 책은 반세기 동안 조용히 도서관 서가에 머물렀다. 그것을 다시 꺼내 수학적으로 증명 가능한 무기로 벼린 것은 한 세대 뒤, 신비주의와 관측 자료 사이에서 평생을 씨름한 독일의 천문학자였다.

케플러: 원을 버리고 타원을 받아들인 사람

케플러는 처음부터 코페르니쿠스를 신봉했지만, 그 이유는 지극히 신비주의적이었다 — 그는 신이 우주를 다섯 개의 플라톤 정다면체 위에 조화롭게 설계했을 것이라 믿고 『우주의 신비』(1596)를 썼다. 그 아름다운 가설은 틀렸다. 그러나 그 틀린 가설을 검증하는 과정에서, 그는 당대 최고의 관측 천문학자 튀코 브라헤의 자료를 넘겨받게 된다.

브라헤가 맨눈으로 남긴, 당시로서는 비정상적으로 정밀한 화성 관측 자료와 씨름하며 케플러는 몇 년에 걸쳐 원 궤도를 끼워 맞추려 했지만 오차가 각도 8분만큼 끝내 남았다. 그는 그 작은 오차를 무시하지 않았다. “신이 이 정밀한 관측을 우리에게 주신 것은, 결국 우리가 틀린 가설을 버리게 하기 위함이다”라고 판단한 그는 원을 완전히 포기하고, 화성이 실제로는 태양을 한 초점으로 하는 타원을 그린다는 것을 증명했다 — 행성운동 제1법칙이다. 이어 그는 행성이 태양에 가까울 때 빨라지고 멀 때 느려지되, 같은 시간에 쓸고 가는 면적은 항상 같다는 제2법칙, 그리고 공전 주기의 제곱이 궤도 반지름의 세제곱에 비례한다는 제3법칙을 1609년과 1619년에 각각 발표했다.

“나는 신의 설계를 감히 들여다보았다. 만약 그것을 용서 받을 수 없다면, 나는 차라리 그 죄를 즐겁게 감당하겠다.”
— 요하네스 케플러, 『세계의 조화』(1619) 서문 요지

케플러는 끝내 자신의 법칙이 ‘왜’ 성립하는지는 설명하지 못했다. 그는 태양에서 뻗어 나오는 어떤 신비한 힘을 상상했을 뿐, 중력이라는 개념에는 닿지 못했다. 그 답은 그가 죽은 지 반세기가 더 지나 아이작 뉴턴의 손에서 완성된다.