시대를 초월한 천문학의 영원한 고전!
우주의 구조와 의미를 둘러싼 치열한 과학 논쟁
★「서울대 선정 동서 고전 200선」 선정 도서 ★

천문 우주 과학의 탄생을 이끈 갈릴레오의 위대한 유산

나는 아직 아무도 걸어보지 못한, 새로운 길로 통하는 문을 열어 주려는 것뿐이네. 나는 지금 이 길을 드러내는 데 그치겠지만, 나보다 더 날카로운 통찰력을 가진 사람이 이 길을 넓히고, 더 멀리까지 탐험해 나갈 걸세. ― 본문에서

일반 상대성 이론의 마지막 수수께끼였던 중력파가 발견되면서 세계 과학계가 떠들썩하다. “금세기 과학사의 최대 성과”라고 불리는 이 발견으로 육안 관측, 광학 천문학, 전파 천문학에 이어 새로운 중력파 천문학의 시대가 열릴 것으로 기대된다. 앞으로 중력파를 직접 검출할 수 있게 되면서 초신성이 어떤 내부 작용으로 폭발하게 되는지, 블랙홀은 어떻게 생성되고 소멸되는지 등을 이해할 수 있는 길이 열린 것이다. 우주에 대한 우리의 이해가 과학의 힘으로 또 한 번의 괄목할 만한 진전을 이루는 순간이다.
하지만 지금으로부터 불과 400년 전만 해도 우주에 대한 과학적 탐구는 보잘것없는 수준이었다. 지구가 우주의 중심이라는 생각은 아리스토텔레스의 물리학을 토대로 한 프톨레마이오스의 우주론으로 발전했고, 이 이론이 정식 가톨릭 교리로 채택되면서 다른 가설을 제시하는 사람에게는 이단이라는 족쇄가 채워졌다. 그 대표적인 사건이 1616년에 가톨릭교회가 코페르니쿠스의 지동설에 대해 선포한 금지령이었다.
이러한 상황에서 태양을 중심으로 지구가 돈다는 새로운 우주관을 유럽 전역에 널리 전파한 인물이 바로 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642년)이다. 이번에 ㈜사이언스북스에서 나온 『대화: 천동설과 지동설, 두 체계에 관하여(Dialogo)』는 『그래도 지구는 돈다』 1, 2(교우사, 1997년)를 새롭게 번역해 한 권으로 담아낸 갈릴레오의 위대한 유산이다. 망원경이라는 매개 도구를 사용한 객관적 관측과 천체 역학적 문제에 대한 수학적 논증으로 천동설을 기각시키고 지동설의 타당성을 입증하는 이 책은 1632년 출간 당시 초판이 모두 팔리며 지동설 확산의 기폭제가 되었고, 1633년 갈릴레오 종교 재판의 단초가 되었다. 이후 갈릴레오는 젊은 시절 연구했던 물체의 운동이라는 주제로 다시 돌아가서 『새로운 두 과학』을 출간하게 된다. 이처럼 『대화』는 과학사뿐만 아니라 갈릴레오 개인의 삶에 있어서도 중요한 전환점이 된 책이다.
『대화』는 우주의 조화와 질서를 알고 이해하려는 갈릴레오의 열정이 낳은 역작이라 할 수 있다. 독자들은 이 책에서 근대 과학의 여명기에 우주론을 두고 벌어진 치열한 지적 투쟁과 더불어 오늘날 천문 우주 과학으로 이어지는 갈릴레오의 탐구 정신을 만나볼 수 있을 것이다.

『대화』는 과학의 역사에서 10대 명저 안에 드는 과학의 고전이다. 뿐만 아니라 최고의 과학자가 탁월한 글솜씨를 발휘해 당시의 최첨단 과학 이론을 알기 쉽게 설명해 놓은 책으로서, 최초의 과학 교양서적이라고 할 수 있다. ―「옮긴이의 글」에서

갈릴레오, 천상계와 지상계를 통합하다!

첫 번째 이론은, 하늘에 있는 물체들은 생성되거나 소멸하지 않으며, 상하지도 않고, 바뀌지도 않으며, 이러한 모든 종류의 변화에서 벗어나 영원히 같은 모습을 유지한다는 것이지. 두 번째 이론은, 지구를 하늘에 있는 천체들과 같은 위치에 놓아서, 지구도 달, 목성, 금성 또는 다른 행성들과 마찬가지로 움직일 수 있고, 실제로 움직인다고 말했어. 결국에 가서, 두 번째 이론이 첫 번째 이론보다 더 그럴듯하다고 결론을 내렸지. ― 본문에서

『대화』는 살비아티, 사그레도, 심플리치오라는 세 인물이 자유롭게 토론하는 형식으로 구성되어 있다. 살비아티는 코페르니쿠스의 지동설을 주장하고, 심플리치오는 프톨레마이오스의 천동설과 아리스토텔레스의 철학을 변호한다. 그리고 사그레도는 중립적인 시민을 대변한다. 살비아티와 사그레도는 실제 갈릴레오의 친구들을 모델로 한 인물들이고 심플리치오는 고대 그리스의 철학자 심플리치우스의 이름을 빌린 가상의 인물이다. 그리고 책 중간중간에 인용되는 ‘동료 학자’가 바로 갈릴레오다.
「첫째 날 대화」는 프톨레마이오스 체계의 기반이 되는 아리스토텔레스의 물리학을 반박하는 내용으로 구성되어 있다. 아리스토텔레스의 물리학은 지상계와 천상계를 엄격하게 구분했다. 각각은 성질도, 운영 원리도 달랐다. 하늘은 영구불변한 영역으로 완벽한 구형의 천체들이 원운동을 하는 곳이었다. 반면 지상은 생성, 소멸, 변화가 이루어지는 영역으로 지상의 물체들은 정지 상태에 있는 것이 원래 본성이며, 외부의 힘에 의해서 제자리에 위치하지 않는 경우에만 그 본래의 자리로 돌아가기 위해 운동한다는 것이 아리스토텔레스의 주장이었다.
하지만 갈릴레오가 망원경을 통해 바라본 하늘은 행성과 별들이 시시각각 모양과 크기를 달리하거나 새로운 별이 생겼다가 사라지는 공간이었다. 그는 하늘이 불변이라는 생각은 육안 관측의 한계와 더불어 하늘은 불변이라는 오랜 선입견이 만들어 낸 허구라고 생각했다. 지동설을 대변하는 살비아티는 원운동은 하늘의 물체들뿐만 아니라 땅의 물체들에도 적용되며, 1572년과 1604년에 새로운 두 별(초신성)이 등장한 것과 해의 표면에 어둡고 짙은 물체들(흑점)이 생겼다가 사라졌다가 하는 것을 증거로 제시한다. 그러고 나서 지구와 달의 유사점을 밝혀 지구 또한 천체들 중 하나라고 주장한다. 망원경을 통해 본 달은 수정처럼 매끄러운 완벽한 구가 아니라 계곡과 운석 구덩이가 있는 울퉁불퉁한 천체였다. 지구는 달이나 행성들과 함께 우주를 떠도는 방랑자였던 것이다.

움직이는 것은 하늘이 아니라 지구다!

지구가 천체와 같다면, 지구 또한 천체들과 같은 운동을 공유하지 못할 이유가 없다. 이러한 논리에 따라 지구의 자전과 공전을 설명하는 부분이 「둘째 날 대화」와 「셋째 날 대화」이다. 당시 사람들은 지구가 자전과 공전을 한다면 지구 위에 있는 모든 것들이 허공으로 날아가 버릴 것이고, 공중에서 던진 공은 바로 아래가 아니라 서쪽에 떨어질 것이며, 하늘에 나는 새들은 뒤처질 것이라고 생각했다. 하지만 현실에서는 이러한 일이 일어나지 않으니, 지구는 움직이지 않는다는 것이다. 이에 대해 갈릴레오는 지구의 원운동은 지구상의 모든 물체에 공통된 움직임이므로 지구와 함께 움직이는 우리 또한 지구의 운동을 감지할 수 없다고 주장했다. 모든 운동은 상대적이었다. 관측자의 상태에 따라 물체는 움직이는 것일 수도 아닐 수도 있었다. 이는 모든 물체의 본성은 정지 상태라는 아리스토텔레스의 물리학을 정면으로 공격하는 일이었다.

커다란 배의 갑판 아래 선실에 동료들과 함께 들어간 다음, 문을 닫아. 파리, 나비를 비롯한 여러 날벌레들을 선실 속에 미리 넣어 두어. 커다란 대야에 물을 붓고, 물고기를 몇 마리 집어넣어. 병에 물을 넣고, 선실 천장에 매달아서, 물이 한 방울, 한 방울 떨어지도록 하고, 그 밑에 그릇을 놓아 물을 받아. 배가 가만히 있도록 한 다음, 선실 안의 온갖 일들을 자세히 관찰을 하게. 그다음에 어떤 속력이라도 좋으니까 배를 움직이도록 하게. 선실 안의 일들을 자세히 관찰해 보게. 앞에서 언급한 모든 일들이 조금도 바뀌지 않을 뿐만 아니라 선실 안의 일을 가지고는 배가 움직이는지 정지해 있는지 판단할 수도 없어. 이 모든 현상들이 일치하는 까닭은, 배의 움직임이 그 속에 든 공기를 포함한 모든 물체들에게 공통되기 때문일세. ― 본문에서

지구의 자전만큼이나 공전 또한 우리의 직관과 감각으로는 직접 확인하기 어려운 문제였다. 고대에는 행성이 지구를 중심으로 원운동을 한다고 믿었다. 하지만 그것만으로는 행성의 역행 현상을 설명할 수 없었기에 프톨레마이오스는 원 안에 원을 넣는 식으로 문제를 해결하려고 했지만 그 때문에 행성의 궤도가 지나치게 복잡해졌다. 살비아티는 같은 현상을 코페르니쿠스 체계가 훨씬 간단명료하게 설명해 준다고 심플리치오를 설득한다. 또한 살비아티는 망원경으로 관측한 화성과 금성의 위상 변화, 목성의 네 위성, 행성의 불규칙한 운동들, 해의 흑점이 움직이는 궤적들을 증거로 제시하며 지구의 공전 운동이 타당함을 주장한다.

프톨레마이오스의 이론은 병에 걸려 있네. 치료약은 바로 코페르니쿠스의 이론일세. 프톨레마이오스의 우주 체계는 불규칙한 운동들로 구성되어 있네. 반면에 코페르니쿠스의 체계에 따르면, 모든 운동은 자신의 중점에 대해 규칙적으로 움직이고 있어. ― 본문에서

지구의 운동을 조수 이론으로 입증하다!

지구가 공전이든 자전이든 어느 한 운동만 하면, 지구 전체는 물론 모든 부분들이 일정한 속력으로 고르게 움직이지만, 이 두 운동을 섞으면, 지구의 각 부분들이 이런 식으로 고르게 움직이지 않고, 공전 운동에다 자전 운동을 더하거나 빼야 하니까, 가속이 되었다가 감속이 되었다가 한다. 이게 바로 밀물·썰물을 일으키는 가장 근본적인 실제 원인일세. ― 본문에서

「넷째 날 대화」는 밀물과 썰물의 원인이 지구의 자전과 공전 때문이라는 갈릴레오의 독창적인 주장을 담고 있다. 갈릴레오는 조수 현상이 지구의 자전과 공전을 입증하는 강력한 증거라고 생각했다. 사실 당시에 갈릴레오가 『대화』를 저술하기 시작한 이유도 이 이론을 대중에게 소개하기 위함이었다. 그의 주장에 따르면, 지구가 큰 그릇이고 바다가 거기에 담긴 물이어서, 지구의 자전 운동과 공전 운동의 결합으로 일정 주기로 조수가 발생한다. 이 이론은 후에 뉴턴 역학으로 대체되지만, 이 이론 속에는 갈릴레오가 젊은 시절 연구했던 진자의 운동이나 관성에 대한 개념 등 보석처럼 반짝이는 아이디어가 포함되어 있어 그 의미가 깊다.

천문학에서 시작된 과학 혁명, 근대의 여명을 밝히다!

감각이 우리에게 제공하는 첫 느낌에 대해 너무 확신을 갖지 말고, 신중하게 생각해 보아라. 감각은 우리를 속일 수 있다.― 본문에서

지구 중심적인 우주관은 오랫동안 전 세계 문화권에서 보편적인 진리로 당연하게 받아들여졌다. 단단한 땅 위에서 살아가는 인간의 입장에서는 별과 달이 뜨고 지는 하늘이 움직이는 것이 일견 타당해 보이기 때문이다. 오늘날에도 사람들은 해가 뜬다 또는 해가 진다라고 표현하지 지구가 몇 도 돌았다 하는 식으로 표현하지 않는다. 지금도 이러할진대, 사모스 섬의 아리스타르코스가 처음 주창했고, 코페르니쿠스가 제창했던 지동설에 대해 당시 얼마나 큰 반발이 있었을지 쉽게 짐작할 수 있다.
하지만 갈릴레오가 쌓아 올린 방대한 천문 관측 데이터와 수학적 계산 자료들은 인간의 직관과 감각에 반하는 새로운 진실을 보여 주었다. 『대화』에서 갈릴레오의 엄밀한 과학적 수학적 입증에 힘입어 태양 중심적 우주관은 가설의 영역에서 과학적 사실의 영역으로 발돋움했고 지구 중심적 우주관은 역사의 뒤안길로 사라졌다. 그리고 무지를 신성으로 대체하려고 했던 중세가 저물고, 과학과 수학의 힘으로 자연과 우주의 법칙을 구하려는 근대 과학의 시대가 왔다. 『대화』는 인식의 혁명을 이끌며 역사의 거대한 물줄기를 바꿔 놓은, 인류의 영원한 고전인 것이다.