[이광식의 천문학+] 기원전 3세기 반달을 보고 ‘지동설’을 알아낸 천재

기원전 3세기에 반달을 보고 지동설의 실마리를 잡아낸 기막힌 천재가 있었다. 사모스 섬 출신의 고대 그리스 사람인 아리스타르코스(BC 310경~230)가 그 문제적 인물이다.

사모스 섬은 소아시아(지금의 터키)에 바짝 붙어 있는 섬으로, 우리나라의 거제도 크기만 한 작은 섬이지만, 유명인사들이 많이 태어났다. 아리스타르코스보다 3세기 전의 사람인 그 유명한 피타고라스와 이솝도 이 섬 출신이다.

아리스타르코스는 도대체 반달을 보고 어떻게 지동설을 알아냈던 것일까? 반달에서 지동설에 이르는 이 천재의 여정을 한번 따라가보도록 하자.

고대인들도 지구가 공처럼 둥근 구체라는 사실은 알고 있었다. 그 근거는 두 가지였는데, 바로 북극성과 월식이었다. 북쪽으로 갈수록 북극성 고도가 점점 높아진다는 것은 많은 여행자들의 증언으로 확보된 사실이었다. 실제로 북극점에 이르면 북극성은 바로 머리 위 수직으로 보인다. 이는 지구가 구체라는 움직일 수 없는 증거다.

그리고 월식 때 월면에 비치는 지구 그림자를 보면 원형이다. 지구가 만약 삼각형이라면 그림자도 삼각형일 것이요, 편평한 판이라면 그림자도 길쭉하니 비칠 게 아닌가. 그런데 월식 때 보면 지구 그림자는 언제나 둥그렇다. 이러한 점들에 비추어볼 때 지구는 곡면을 가진 구체임이 틀림없다고 생각했던 것이다. 물론 당시 대부분 사람들은 지구 평평족이었지만.

그런데 아리스타르코스의 월식 관찰은 여느 사람과는 달랐다. 월식 때 달 표면에 비치는 그림자를 보고, 태양은 지구보다 훨씬 크고 지구로부터 멀리 떨어져 있다고 추정하고, 지구 그림자의 곡선과 달의 가장자리 곡선을 비교함으로써 지구-달의 상대적 크기를 알아냈다. 가히 천재의 발상법이라 하지 않을 수 없다. 그는 달의 지름이 지구의 약 3분의 1이라고 추정했다. 참값은 4분의 1이지만, 기원전 사람이 맨눈으로, 그리고 오로지 추론만으로 그 정도 알아냈다는 것은 정말 놀라운 지성이라 하지 않을 수 없다.

아리스타르코스의 천재성은 여기서 멈추지 않았다. 달이 햇빛을 반사하여 빛난다는 사실을 알고 있었던 그는 달이 정확하게 반달이 될 때 태양-달-지구는 직각삼각형의 세 꼭짓점을 이룬다는 사실에 착목하고, 이 직각삼각형의 한 예각을 알 수 있으면 삼각법을 사용하여 세 변의 상대적 길이를 계산해낼 수 있다고 생각했다.

그는 먼저 달-지구-태양이 이루는 각도를 쟀다. 87도가 나왔다(참값은 89.5도). 세 각을 알면 세 변의 상대적 길이는 삼각법으로 금방 구해진다. 그런데 희한하게도 달과 태양은 겉보기 크기가 거의 같다. 이는 곧, 달과 태양의 거리 비례가 바로 크기(지름)의 비례가 된다는 뜻이다. 아리스타르코스는 이 점에 착안하여 세 천체의 상대적 크기를 또 구했다.

그가 구한 세 천체의 물리적 양은 다음과 같았다. 태양은 달보다 19배 먼 거리에 있으며(참값은 400배), 지름의 크기 또한 19배 크다. 고로 지구보다는 7배 크다(참값은 109배). 따라서 태양의 부피는 지구의 300배에 달한다고 결론지었다. 실제 값과는 큰 오차를 보이긴 했지만, 당시의 조건을 고려한다면 이것만으로도 대단한 업적이라 하지 않을 수 없다. 그의 기하학은 정확했지만, 도구가 부실했다.

하지만, 본질적인 핵심은 놓치지 않았다. “지구보다 300배나 큰 태양이 지구 둘레를 돈다는 것은 모순이다. 지구가 스스로 자전하며 태양 둘레를 돌 것이다.”

이로써 인간의 감각에만 의존해왔던 오랜 천동설을 젖히고 인류 최초의 지동설이 탄생하게 된 것이다. 최초로 인류를 우주의 중심에서 밀어낸 지동설은 반달에서 탄생했다고 할 수 있다. 그러나 당시 이러한 아리스타르코스의 주장은 큰 반발을 불러일으켰을 뿐만 아니라, 신성 모독이므로 재판에 부쳐야 한다는 주장과 함께 스토아 학파의 학자들로부터는 날카로운 반론이 튀어나왔다.

“당신 주장대로라면 공중 높이 돌을 던지면 던진 장소로부터 서쪽으로 이동한 자리에 떨어져야 하는 것 아닌가? 물론 하늘을 나는 새도 동쪽으로 날기 위해서는 매우 힘겹게 날아가야 하겠지만 서쪽으로 날기 위해서는 방향만 잡은 채 가만히 있어도 서쪽으로 이동할 것 아닌가?”

이에 적절히 답할 물리학이 당시엔 없었으므로, 지동설이 힘을 얻지 못하는 한 원인이 되었다. 그에 대해 정확한 답변을 듣기 위해서는 1900년 뒤의 한 천재, 갈릴레오 갈릴레이를 기다려야만 했다. 갈릴레오의 상대성 원리가 그에 대한 정확한 답변이다.

어쨌든 이러한 상황 속에서 ‘지동(地動)’을 발견해낸 아리스타르코스의 예지는 시대를 초월한 것이었다. 그가 기원전 3세기에 행성의 배치를 확실하게 완성하여 그려냈음에도 불구하고 그로부터 코페르니쿠스에 이르는 1800백 년 동안, 누구도 행성의 정확한 배치를 알지 못했던 것이다.

인류 최초로 지구가 허공중에 뜬 채로 태양 둘레를 돈다는 사실을 발견함으로써 천문학사에서 위대한 거보를 내딛었던 아리스타르코스는 우리가 경의를 표해 마땅한 위대한 천문학자였다. 그의 이름은 달 구덩이 중 하나에 붙여졌는데, 그 중심 봉우리는 달에서 가장 밝은 부분이다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com