목차
● 에우독소스의 동심천구설
● 아리스토텔레스의 우주관
● 아리스타르코스의 태양중심설
● 히파르코스의 우주구조
● 프톨레마이오스의 우주구조
에우독소스의 동심천구설
그리스시대 플라톤의 아카데미아에서 수학했던 에우독소스는 천구의 개념과 등속원운동을 바탕으로 한 동심천구설(Homocentric sphere model)을 주장한 바 있습니다. 동심천구설은 행성, 달, 태양의 불규칙한 운동을 지구를 중심으로 한 27개의 천구의 회전운동의 결합으로 설명하려고 했으나 세부적인 계산에서 문제가 나타났습니다. 첫 번째 천구의 궤도가 실제로는 원이 아니라는 문제이고 두 번째는 천체운동이 실제로는 등속이 아니라 속도가 변한다는 문제가 있었습니다. 대부분의 고대인들은 모든 천체는 일정한 속도로 원 궤도를 따라 운동한다고 생각하였습니다. 이것은 과학적 우주상의 기초를 마련하였고 아리스토텔레스에 의해 채용되었습니다.
아리스토텔레스의 우주관
고대에서부터 중세시대에 이르기까지 아리스토텔레스의 우주관이 큰 영향력을 발휘했습니다. 아리스토텔레스의 우주는 크게 2개의 세계로 나뉩니다. 즉 우주의 중심인 지구로부터 달까지 이르는 달밑세계(sublunar world) 또는 지상계(terrestial world)와 달에서부터 그 바깥을 이르는 달윗세계(superlunar world) 또는 천상계(celestial world)로 구별되는 것입니다. 지상계는 흙, 물, 공기, 불과 같은 4 원소로 이루어져 있으나 천상계는 제5원소인 에테르로 구성되어 있습니다. 또한 두 세계에서는 일어나는 운동에도 차이가 있는데, 지상계에서는 시작과 끝이 있는 직선운동이 주로 나타나지만, 천상계에서는 시작도 끝도 없는 완전한 운동인 등속원운동이 주로 존재합니다. 아리스토텔레스는 태양이 중심에 있다는 이야기를 언급한 적이 있지만 이것은 아주 철학적인 수준의 언급이었습니다. 불인 태양은 지구보다 중요하기 때문에 우주의 가운데에 위치해야 한다는 관점입니다.
아리스타르코스의 태양중심설
태양중심 체계를 처음으로 주장한 사람은 사모스의 아리스타르코스입니다. 현재 남아 있는 그의 유일한 저서 '태양 및 달의 크기와 거리에 대해서'에서 삼각법을 사용하여 지구와 달 사이의 거리와 지구와 태양사이의 거리의 비율을 구하였습니다. 지구와 태양 사이의 거리가 지구와 달 사이의 거리의 18~20배라고 했는데 실제로는 약 400배입니다. 또 에라토스테네스처럼 지구의 둘레를 측정하고 달과 태양의 시지름과 부피의 비율도 구해 태양은 지구에 비하여 6~7배 더 넓고 따라서 태양의 크기는 지구의 300배에 달한다고 결론지었습니다. 그는 태양이 지구보다 크기 때문에 태양의 연주운동은 지구의 공전으로 말미암은 것이고 또한 항성은 태양과 동등한 천체이기 때문에 그 일주운동은 지구의 자전에 의한 것이라고 주장하였습니다. 당시에는 플라톤과 아리스토텔레스 등의 지구중심설(천동설)이 주류를 이루었기 때문에 이러한 구상은 히파르코스 등에 의하여 부정되었지만 이후에 코페르니쿠스의 선구가 되었습니다. 아리스타르코스의 태양중심설이 받아들여지지 않은 이유 중에는 별의 시차(stellar parallax)에 의한 효과가 관측되지 않았다는 점입니다. 별의 시차 값은 매우 작아서 근대에 들어와서야 관측에 성공했을 정도로 측정하기 아주 어렵습니다.
히파르코스의 우주구조
히파르코스는 비교적 정확한 관측 자료와 천문관측기술을 바탕으로 에우독소스의 동심천구설에 대한 문제점의 해결책을 제시하였습니다. 천구의 궤도가 실제로 원이 아니라는 점을 극복하기 위하여 주전원을 도입하고 천체의 운동이 실제로는 속도가 변한다는 것을 설명하기 위하여 천체가 중심이 아닌 이심(eccentric) 주위를 돈다고 가정하였습니다. 다시 말해 행성은 작은 원인 주전원(epicycle)을 돌면서 일정한 속도로 대원(deferent)으로 알려진 큰 이심 주위를 도는 것입니다.
프톨레마이오스의 우주구조
프톨레마이오스는 히파르코스의 기하학적 모델과 관측자료 그리고 그리스의 이론적인 천문학을 결합해 '수학의 집대성(He mathematike syntaxisl)'에서 총정리하였습니다. 이 책은 '위대한 천문학자의 책'으로 지칭되었다가 9세기에 이르러 아랍 천문학자들이 이 책을 번역하게 되면서 아랍어의 정관사 알(al)에 '위대하다'는 뜻과 그리스어 최상급이었던 '메기스테(Megiste)'가 합쳐져서 '알마게스트(Almagest)'로 오늘날에까지 알려지고 있습니다.
'알마게스트 Almagest'에 나타난 그의 우주구조는 지구는 우주의 중심에 위치하고 있고 맨 바깥의 '항성천구(Stellar sphere)가 우주의 바깥 경계입니다. 항성천구 바로 안쪽부터는 행성의 천구(heavenly sphere)들이 토성, 목성, 화성, 태양, 금성, 수성, 달의 순서로 지구를 중심으로 하여 돌고 있습니다. 프톨레마이오스는 고대부터 지구 중심설에 반하는 두 가지 데이터인 행성의 밝기 문제와 역행운동을 설명하기 위하여 주전원, 대원, 이심 같은 개념을 좀 더 확장시켰습니다. 이전의 개념은 이심원은 이심을 중심으로 하는 거대한 원이고, 주전원은 중심이 이심원의 원주를 따라 회전하는 작은 원입니다. 태양과 달, 그리고 다른 행성들은 각각의 주전원의 원주를 따라 움직입니다. 그러나 이 이론만으로는 모든 행성들에서 관측된 현상을 완전히 설명할 수 없기 때문에 프톨레마이오스는 여기에 동시심(equant)의 개념을 더 도입하였습니다. 그는 행성의 주전원의 중심이 동시심(equant)이라고 부르는 점을 중심으로 일정한 속도로 원운동을 하고 있다고 가정했습니다. 이런 가정은 동시심에서는 주전원의 중심이 일정하게 운동하지만 이심원에 대해서는 일정하지 않을 것이라는 것을 뜻합니다. 이것은 천체의 운동을 더욱 정확하게 설명할 수 있는 장치를 마련해 주었지만 동시에 등속원운동이라는 아리스토텔레스의 교리도 무너지게 되었습니다. 동시심은 가상점으로서 이심원의 지름 위에 있으나 이심을 기준으로 할 때는 지구의 반대쪽에 있는 점입니다. 다시 말해 이심은 지구와 동시심의 중간에 있게 됩니다. 이러한 가정에 의하여 그는 관측된 많은 행성운동을 더 잘 설명할 수 있었습니다. 프톨레마이오스에 의하여 지구중심설(천동설)은 구체화되었으며 약 1400여 년 동안 지구가 우주의 중심에 있다고 믿게 됩니다.