케플러

고정 관념의 틀을 부수는 데에 8년이 걸린 케플러

케플러(Johannes Kepler; 1571 - 1630)는 그의 스승인 티코 브라헤가 천체의 운동에 관하여 수집한 자료를 그대로 물려받을 수 있었다. 화성의 공전 궤도가 완전한 원이라고 생각하여 계산한 결과는 티코 브라헤의 자료와 맞지 않았다. 플라톤이래 천체의 궤도가 완전한 원이라는 것은 어떤 천문학자도 의심해 본 적이 없는 철칙이었다. 케플러 역시 플라톤주의자로 완전한 원이란 사상이 그의 사상에서 큰 부분을 차지하고 있었다. 신은 완전한 대칭을 이루도록 세상을 창조했을 것이라고 믿었기 때문이다.

그러나 이 철칙을 깨는 데는 약 8년이란 세월이 필요했다. 코페르니쿠스의 지동설에 영향을 받은 케플러는 신학을 공부하다가 천문학으로 전향하였다. 티코 브라헤가 16년에 걸쳐서 수집한 방대한 자료를 그가 임종시 물려받을 수 있었고, 이것을 토대로 케플러의 법칙을 만들어낼 수 있었다.

제1법칙과 제2법칙은 주로 화성을 관측하여 얻은 것으로, 1609년에 발표되었고, 제3법칙은 이보다 10년 후에 발표되었다. 케플러의 시대는 그 때까지 사람들이 믿어온 천동설에 대해 지동설이 도전하던 시기로, 브라헤는 원래 천동설을 옹호하려고 행성의 위치를 측정하기 시작했다고 한다. 이에 대해 케플러는 비록 브라헤의 제자였지만, 지동설의 입장에서 지구의 공전궤도를 원이라 가정하고 화성의 공전궤도를 기하학적으로 작도해 본 결과, 티코 브라헤의 자료와 잘 맞지 않았다. 8년이란 세월이 흐른 뒤에 그 궤도가 완전한 원이라는 생각을 버리고, 태양을 초점으로 하는 타원이라는 것을 알게 되었다. 내용은 아래와 같다.

1) 제1법칙 : 행성은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원궤도를 그리며 공전한다.

2) 제2법칙 : 행성과 태양을 연결하는 선은 같은 시간에 같은 넓이를 휩쓸며 지난다. 즉, 행성의 속도와 그 동경이 그리는 넓이의 곱은 항상 일정하다.

3) 제3법칙 : 행성의 공전주기의 제곱은 공전궤도의 긴반지름의 세제곱에 비례한다는 법칙이다.

그런데 케플러는 이 세 가지 법칙이 어떠한 근본적인 원인 때문에 성립하는 것인지 알지 못한 채 이 법칙들을 완성하였다. 거의 70년이 지난 후, 뉴턴의 만유인력의 법칙과 운동 법칙을 발표하기 전까지는 행성 운동의 원인을 확실히 알지 못하였다. 케플러의 법칙은 뉴턴이 만유인력을 발견하는 데 핵심적인 수학적 기초를 제공해 주었다.