프톨레마이오스, 알 투시, 코페르니쿠스, 케플러, 뉴턴의 저작속으로

한국출판문화산업진흥원의 ‘2020 출판콘텐츠 창작 지원 사업’ 선정작 천체에 대한 2,000년 지식의 여정!

『코페르니쿠스의 거인, 뉴턴의 거인』은 한국출판문화산업진흥원의 ‘2020 출판콘텐츠 창작 지원 사업’의 과학 분야 선정작이다. 심사평에서 이 대목이 눈에 띄었다. ‘거대한 주제를 일관적으로 꿰뚫어 통찰력을 제공하는 일’, 이 책은 이 심사평에 정확히 부합한다. 과학혁명은 역사에서 두 가지를 지웠다. 하나는 과학혁명이 오로지 유럽만의 산물이 아니라 그 이전, 특히 이슬람의 학문에 크게 빚지고 있다는 사실이고 또 하나는 신플라톤주의, 헤르메스주의 등 르네상스 시기에 크게 유행한 신비주의 사상에 뿌리를 두고 있다는 사실이다. 이 책에서는 천체에 대한 인류의 2,000년 지식의 여정을 충실히 고증하며 이 두 가지를 복원하였다. 이 책에서는 아주 먼 고대에서부터 17세기에 이르기까지 인류가 지구와 천체를 어떻게 이해해 왔는지를, 이전 세대의 학자들의 어깨 위에서 어떻게 앞으로 나아갔는지를 면밀하게 그리고 구체적으로 다루었다. 몇몇 이름을 거명하면 이렇다. 피타고라스, 헤라클리데스, 플라톤, 아리스토텔레스, 아폴로니우스, 히파르코스, 프톨레마이오스, 알 하이삼, 타비트 이븐 쿠라, 이븐 시나, 알 바타니, 이븐 루시드, 알 비트루지, 알 투시, 알 우르디, 알리 쿠시지, 알 샤티르, 코페르니쿠스, 튀코 브라헤, 케플러 그리고 뉴턴. 이런 이름들이 후대에게 그들의 어깨를 내어주었다. 이 이름들에서 눈치를 챘겠지만, 어깨를 내어준 거인 중 많은 이들이 이슬람 학자들이다. 이 책에서는 이 거인들이 구체적으로 어떻게 지구와 천체를 이해했는지, 그 과정에서 어떻게 수학이 사용되었고 발달했는지 구체적인 그림과 과거 문헌을 통해서 증명하고 있다. 천체에 대한 이해에 있어 피상적으로 이해하고 있던 독자들의 많은 궁금증을 풀어주는 데 부족함이 없을 것이다. 인간은 세계를 어떻게 마름질하는가? 어떻게 세계에 대한 지식을 얻는가? 세계를 인식하는 틀을 어떻게 만들어내는가? 이 책을 읽고 나면 우리 앞 세대 거인들이 서양인들 뿐이 아니었다는 사실도, 합리적인 이성에 근거해서만 지식을 얻은 것도 아니었다는 사실도, 가장 중요하게는 우리 인류가 지식을 얻는 파란만장한 과정을 실감 나게 경험하게 되리라 확신한다. 이 책의 구성은 다음과 같다. 1장에서는 고대인이 자연의 주기를 정확하게 관측하기 위해 만든 기준과 플라톤과 아리스토텔레스에 의해 선험적으로 제시된 우주관을 소개하였다. 2장에서는 고대에 천체 관측을 통해 천체 운행 모델이 어떻게 만들어졌는지 소개하였다. 히파르코스가 만든 태양의 이심원 모델, 프톨레마이오스의 『알마게스트』에 실린 화성의 주전원 모델 등을 상세히 다루었다. 3장은 우리나라에는 거의 소개된 적이 없는 이슬람 천문학에 관한 이야기이다. 11세기에 프톨레마이오스의 오류를 넘어서기 위한 연구가 시작되었다. 여기에는 프톨레마이오스가 우주의 중심에서 옆으로 옮긴 지구의 자리(이심)를 다시 우주의 중심으로 옮기려는 연구도 포함된다. 마라가 학파인 알 투시와 알 우르디가 만들어낸 수학 이론은 코페르니쿠스가 태양중심설을 주창하는 데 큰 걸림돌이 되었을 문제를 미리 해결한 것이다. 실제로 알 투시와 알 우르디의 이론을 모두 사용한 알 샤티르의 천체 모델은 태양과 지구의 위치를 제외하면 코페르니쿠스의 것과 기하학적으로 동치라는 평가를 받는다. 4장에서는 코페르니쿠스와 이전 시대의 연구 결과와의 연관성을 다루었다. 이슬람 문헌들이 코페르니쿠스, 코페르니쿠스의 스승들에게 전달되었을 가능성을 소개하고, 『천구의 회전에 관하여』에 실린 몇 가지 내용을 이와 관련된 고대 학자, 이슬람 학자들의 연구와 비교 설명하였다. 5장, 6장은 태양중심설이 받아들여진 이후의 일이다. 케플러의 법칙으로 코페르니쿠스의 태양중심설의 오류가 바로 잡히고 뉴턴이 이를 증명하는 과정에서 근대의 합리성이 아니라 신플라톤주의 등 신비주의 사상이 큰 역할을 하였음을 소개하였다.

서문
1. 자연의 주기를 관찰하다
자연의 주기에 대한 탐구는 문명의 시작
우주를 인간의 품으로 들여오다

2. 원으로 가득 찬 하늘
하늘에 그려진 고리들
고대 우주 체계의 완성
헬레니즘 시대의 하늘

3. 지워진 1,000년
이슬람 시대에 활짝 피어난 학문
프톨레마이오스를 넘어서다
마라가 학파

4. 태양을 중심에 놓다
코페르니쿠스에게 어깨를 내어준 거인들
뒤집힌 우주
행성이 순서대로 늘어서다

5. 태양에서 나오는 신비
천구가 사라진 우주 공간
신은 기하학자
태양에서 나오는 신비로운 힘, 운동령
계산의 영역으로 들어온 자연

6. 공감과 반감을 딛고
신비주의를 딛고 일어서다
합리성의 함정
중력, 마술의 옷을 입고 나타나다
책을 마치며

부록1 프톨레마이오스의 화성 모델
부록2 플라톤의 두 비례중항 만들기
부록3 케플러의 제3법칙으로부터 뉴턴의 만유인력 법칙 유도하기
미 주
이 책에 나오는 인명(영어표기)
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각 문명마다 하루를 어떻게 정했었는지는 코페르니쿠스가 1543년에 출판한 『천구의 회전에 관하여』 중 태양의 운동을 다룬 III권에 기록되어 있다. III권 26장에 의하면 바빌로니아인들은 하루를 일출부터 일출까지, 아테네인들은 일몰부터 일몰까지, 로마인들은 자정부터 자정까지, 이집트인들은 정오부터 정오까지로 서로 다르게 사용했다고 한다. 그렇게 자연의 주기에 대해 얻은 지식이 다음 세대로 넘어가면서 축적되어 문명이 발달했다.
p.15~16 자연의 주기를 관찰하다 중에서플라톤 당시에는 8개의 동심 천구가 겹겹이 있었다. 7개의 행성 천구와 가장 바깥에 있는 항성 천구. 그런데 이제는 이심원과 주전원이 들어설 자리가 필요해졌다. 행성마다 지구를 중심으로 하는 동심 천구가 두 개씩 있다. 두 개의 동심 천구 사이에 이심 천구가 두 개 있고 그 사이를 주전원이 회전한다. 화성을 예로 들어보자. 지구를 중심으로 하는 동심 천구가 두 개 있고 그 사이에 이심 천구가 두 개 있고 이심 천구 사이를 주전원이 회전하며 화성은 그 주전원 위에서 운행한다. 바깥쪽 동심 천구가 도는 힘은 목성의 안쪽 동심 천구로부터 전달받으며 차례로 바깥쪽 이심 천구, 주전원, 안쪽 이심 천구로 전달된 후 태양의 바깥 동심 천구로 전달된다. 이렇게 항성 천구에서 출발한 천구를 돌리는 힘은 천구를 따라 차례차례 전달되어 지구에까지 이른다. 이렇게 빈틈없이 짜 맞추어졌기 때문에 우주의 크기를 계산할 수 있게 되었다. 바깥쪽 천구의 지름은 그다음 천구의 안쪽 천구의 지름과 같아야 했다. 천구의 크기, 주전원의 크기를 차례로 계산한 프톨레마이오스의 계산에 따르면 토성 천구의 지름은 지구 반지름의 20,110배로 지금 알고 있는 것에 비하면 매우 작다. 바로 아리스토텔레스 - 프톨레마이오스의 우주 체계이다.
p.78 원으로 가득 찬 하늘 중에서준디샤푸르는 사산 제국의 샤푸르 1세가 로마 제국과의 전쟁에서 승리한 기념으로 271년에 이란 남서부에 세운 도시이다. 이후 준디샤푸르에는 대학, 도서관 등이 지어지면서 알렉산드리아 못지않은 학문의 도시가 되었다. 비잔틴 제국의 황제 유스티니아누스 1세가 529년에 플라톤의 아카데미아 등 몇백 년을 이어오던 학교들을 폐쇄해버리자 이들도 준디샤푸르로 왔다. 그리스와 인도 등 주변 지역으로부터도 의사들과 학자들이 몰려들어 준디샤푸르는 국제적인 도시로 성장했다. 비록 652년에 사산 제국이 이슬람 제국에 정복당했지만 9세기 이슬람의 황금기가 올 때까지 준디샤푸르의 명성이 유지될 정도였다
p.84~85 원으로 가득찬 하늘 중에서알 콰리즈미는 825년경 칼리프 알 마문의 지시로 『시단타』 요약본과 함께 천문표 『지즈 알 신드힌드』를 펴냈다. 이 천문표는 현존하는 가장 오래된 이슬람 지즈이다. 10세기에 이 지즈의 개정판이 배스의 아델라드에 의해 라틴어로 번역되어 유럽에 전해졌다. 이 지즈는 태양, 달, 행성의 실제 위치 계산, 사인과 탄젠트 표, 구면천문학, 점성술 표, 시차와 일식 계산, 달의 모양 등을 계산하는 천문학 이론을 바탕을 둔 달력을 포함한다. 『시단타』는 모든 계산에서 사인함수를 사용했는데, 아랍인들은 여기에 코사인, 탄젠트 등 5개의 삼각함수를 더 만들어 사용했다. 고대 그리스에서는 각에 대한 현의 길이를 정리한 표를 사용했고 인도에서는 사인함수만 있었는데, 이를 오늘날 사용하고 있는 것과 같은 삼각함수로 발전시켜 기하적으로만 다루던 것을 계산으로 바꾸어 근대 수리 천문학이 펼쳐질 수 있는 기초를 만든 사람들이 이슬람 학자들이다.
p.93 지워진 1,000년 중에서알 투시는 투시 커플로 이렇게 말한 셈이다. 우리 눈에는 천체가 등속으로 운동하지 않는 것처럼 보이지만 사실은 등속으로 운동하고 있다고. 그러면 등각속도점이라는 설정 없이도 사실은 등속원운동을 하고 있다는 설명이 가능해진다. 출발은 등속원운동하는 물체가 그렇게 움직이지 않는 것처럼 보이는 것은 그것이 진동하듯 운동하기 때문이라는 가설이었다. 이제 투시 커플이 이에 대해 어떻게 설명하는지 알아보자.
p.125 지워진 1,000년 중에서1259년 마라가 천문대를 지을 때, 다마스쿠스에서 활동하던 알 우르디가 합류했다. 알 우르디의 업적 중의 하나는 지금은 ‘우르디 보조정리’라고 부르는 것으로, 이것을 이용하면 이심 운동과 주전원 운동이 수학적으로 동치가 된다. 다시 말하면, 이심 모델을 주전원 모델로 바꾸는 것, 즉 천체의 운동을 지구가 아닌 이심을 중심으로 한 원운동이 아니라 지구를 중심으로 한 원 위의 주전원 운동으로만 설명이 가능하다는 말이다.
투시 커플과 함께 우르디 보조정리라는 새로운 수학 이론의 발견에 의해 등각속도점 문제가 해결되었다. 거칠게 말하면, 우르디 보조정리에 의해 지구가 원운동의 중심임이 설명되고, 투시 커플에 의해 등속운동으로 보이지 않는 이유가 설명되는 셈이다.
p.128 지워진 1,000년 중에서투시 커플, 우르디 보조정리를 모두 이용한 이슬람 천문학 최고의 알 샤티르 모델에는 놀라운 점이 하나 더 있다. 약 200년 후인 1543년에 발표된 코페르니쿠스의 천체 모델과 기하학적 형태 자체는 동치라는 점이다. 이 사실은 1957년에 처음으로 제기되었다. 코페르니쿠스의 달 모델과 알 샤티르의 달 모델은 매개변수의 자명한 차이를 제외하면 동일하다. 두 사람의 행성 모델은 지구 중심, 태양 중심이라는 점에서만 다르다. 다른 모든 측면에서는, 특히 수성과 금성 모델에서는 놀라울 만큼 유사성을 보인다. 코페르니쿠스는 알 샤티르가 한 것과 똑같이 프톨레마이오스의 이심원-등각속도점 방식을 두 개의 주전원과 하나의 이심원으로 바꾸면서 마라가 학파와 같은 수학적 장치, 즉 투시 커플과 우르디 보조정리를 사용했다. 그뿐만 아니라 가끔씩은 마라가 학파의 학자들이 사용했던 바로 그 지점에서 그것을 똑같이 사용했다.
p.135 지워진 1,000년 중에서알리 쿠시지는 혜성을 관찰하여 지구가 회전한다는 경험적 증거를 찾아냈고, 이에 근거하여 지구가 움직이고 있다는 이론을 세워도 지구가 정지해 있다는 이론만큼이나 사실일 가능성이 크다는 결론을 내렸다. 지구가 회전한다고 가정해도 거짓이 아니라는 주장이었다. 알리 쿠시지는 한 걸음 더 나아가 천문학자는 아리스토텔레스의 자연학을 필요로 하지 않는다면서 천문학을 자연학에서 분리해냈다. 아리스토텔레스의 자연학에 대한 거부와 함께 알리 쿠시지는 천체가 등속원운동으로 움직인다는 아리스토텔레스의 개념에 따라야 할 필요가 없다고 주장했다. 천문학을 순수하게 경험적이고 수학적으로 연구될 수 있게 했다. 이것은 ‘개념적인 혁명’이었다.
부동의 지구가 우주 중심에 있다고 여기던 시절을 지나 지구가 움직인다고 해도 수학적으로 모순이 없는 시절이 왔다. 알 투시와 알리 쿠시지와 같은 후기 이슬람 학자들이 1,400여 년 동안 천문학을 묶고 있던 아리스토텔레스의 자연학의 쇠사슬을 끊어낸 것이다.
p.158 태양을 중심에 놓다 중에서1596년 7월 19일, 케플러는 목성과 토성이 하나의 별처럼 겹쳐서 밝게 보이는 현상(합)에 대해서 학생들에게 설명하는 중이었다. 케플러의 목소리는 웅얼거리듯 알아듣기 힘들었지만, 그때 그의 머릿속에서는 근대 천문학을 여는 영감이 솟아나고 있었다. 약 20년마다 일어나는 이 현상을 설명하려고 원 궤도에 목성과 토성을 표시하던 바로 그때, 우주의 비밀을 푸는 열쇠가 보였다고 케플러는 기록을 남겼다.
p.196 태양에서 나오는 신비 중에서천구가 사라지자 행성들과 별들은 우주 공간에 떠 있는 존재가 되었다. 이제 행성들이 우주 공간에 흩어지지 않고 태양을 중심으로 회전을 반복하는 원인을 새로 찾아야 했다. 그 원인으로 케플러는 영적인 존재를 생각했다.
케플러가 보기에 인간은 아주 오랫동안 지구를 생명체처럼 생각해오면서 하늘과 땅은 서로 상응한다는 것을 의심하지 않았고 오히려 그것으로부터 지식을 넓혀왔다. 우주의 비밀을 밝히려
는 케플러는 신플라톤주의자답게 영적인 존재를 생각했다. 『점성술의 확실한 기초에 대하여』에서 언급한 ‘태양에서 나와 행성들에 의해 반사되는 빛’이 그 출발이었다. 케플러는 1596년 발표한 『우주의 신비』에 그 정체를 태양에서 나오는 영적인 것이라고 밝혔다. 그것은 태양에 거주하는 일종의 영혼이다.
케플러는 천체의 운동을 일으키는 최초의 원인인 영적인 존재에 ‘운동령’이라는 이름을 붙였다. 그리고 운동령은 태양에만 있다고 했다. 태양에서 나오는 운동령이 태양계 전체에 물리적
인 작용을 하여 천구가 없어도 행성들은 태양에 묶여 있는 듯이 적당한 거리를 두고 회전한다는 말이다.
p.214 태양에서 나오는 신비 중에서파라켈수스는 1537년 『대천문학』을 출판했다. 이 책에서 “마술사는 별의 힘을 자신이 지시하는 물체로 옮기는 것도 가능하다.”, “하늘의 힘을 매개체로 끌어들여 그 매개체 속에서 하늘이 움직이도록 하는 기술이 마술이다.”라고 했는데, 여기서 매개체는 인간을 가리킨다. 인간 안에 행성들이나 별들이 운행하는 천구가 있어 천체들이 인체의 정해진 부위에 영향을 미친다고 생각했다. 예를 들면, 태양은 심장, 달은 뇌, 화성은 담낭에 영향을 미친다. 대우주인 천체가 소우주인 인간에게 영향을 미치기 때문에 병의 원인이나 치료법, 약제도 대우주로부터 나와야 한다고 생각했다. 즉, 치료를 위해서는 대우주 가운데서 신체의 병든 부분과 공감을 갖는 장소들로부터 이끌어낸 영적인 자질들을 제공하는 약을 써야 한다. 그가 천문학책을 쓴 이유가 바로 이것이다. 의사인 파라켈수스에게 천문학 지식은 천체의 힘이 어떻게 인체의 기능에 ?

나와 세계에 대한 해석인류는 아주 오랫동안 태양은 물론 모든 천체가 지구를 중심으로 돌고 있다고 믿어 왔다. 그렇지 않다고 주창한 사람도 있었지만, 그 목소리는 묻혔다. 어떻게 그렇게 오래, 그렇게 많은 사람이 거대한 우주가 하루에 한 바퀴씩 지구를 돈다고 믿을 수 있었을까? 이 질문은 지금보다 지식이 뒤떨어진 시대의 일이었다는 말로, 이후 지식은 계속 발전해왔다는 말로 쉽게 덮일 수 있는 질문은 아니다.밤마다 하늘에 나타나는 셀 수 없이 많은 별을 보면서 인류는 그 별들의 움직임을 해석하고 싶었을 것이다. 왜 낮에 태양은 동쪽에서 떠서 서쪽으로 가는지, 밤이 되면 달은 왜 뜨는지, 북극성은 늘 그 자리에 고정되어 있는데, 다른 별들은 움직이고, 계절마다 밤하늘의 별자리들이 달라지는 현상을 보면서 우리가 머무르고 있는 땅과 저 하늘의 관계에 대한 궁금증이 싹 텄을 터다.
대부분의 사람들은 그것을 초자연의 세계, 신의 영역에 맡겨뒀겠지만, 우리가 이름을 아는 또 모르는 많은 이들이 별을 관측하고, 그 관측 결과를 해석한 천체이론을 전개했다. 이 책은 오랫동안 어떻게 별을 관측하고 지구와 태양, 그리고 천체를 해석해 왔는지를 꿰뚫어 보여준다. 이것을 소재로 어떻게 지식이 구축되는지, 후대 학자들이 어떻게 선대 학자들의 지식을 밟고 일어서는지 보여준다. 때로는 디딤돌 삼아, 때로는 걷어차면서.
그 과정에서 시대마다 당시 세계를 마름질하는 인식의 한계에 부딪혀 타협하는 학자도 적나라하게 보여주고, 그 한계를 넘어서 새로운 이론의 싹을 틔운 학자들의 고군분투도 실감 나게 묘사한다. 이 책에는 코페르니쿠스, 뉴턴과 같이 낯익은 이름뿐만 아니라 인도와 아랍의 낯선, 처음 들어보는 이름도 많다. 지금 우리의 과학 지식이 온전히 서구인들의 공만은 아님을 알고 싶은 이들에게, 인류가 어떻게 천체를 해석해 왔고, 관찰하고 발전시켜서 지금에 이르렀는지, 그 구체적인 발전상을 알고 싶은 이들에게 이 책을 권한다.