갈릴레오: 별들의 속삭임을 듣다. 1편

갈릴레오 갈릴레이는 이탈리아의 천문학자, 수학자, 물리학자이며 망원경을 개량해 천체를 관찰하고, 목성의 위성, 태양의 흑점, 달의 산맥을 발견하였고, 지동설을 주장하다 종교 재판에 회부되기도 하였습니다.​

갈릴레오갈릴레이(1564-1642)

별들을 향한 갈릴레오의 삶

갈릴레오 갈릴레이(1564-1642)는 1564년 이탈리아의 피사에서 태어났으며 어린 시절부터 수학과 과학에 대한 흥미를 가졌고, 1580년대에 이탈리아의 피렌체 대학에서 의학을 공부하였지만, 그의 관심은 다시 수학과 물리학으로 바뀌었습니다. 동시에 천문학에 대한 흥미를 가지기 시작하였습니다. 중년기에 피렌체 대학에서 수학 교수로 재직하면서 유성과 달의 크레이터 등을 관측하였고, 1609년에 천체 망원경을 개발하여 지구 중심설에 반대되는 증거를 모았습니다. 노년기에 그는 주변의 반대에도 불구하고 그의 천문학적 발견을 주장하여 로마 교회와 충돌하게 되었습니다. 더 나아가 1632년, 갈릴레오는 지구 중심설에 반대하는 저서를 출간하였습니다. 그의 우주론은 교회의 공식적 지지를 받지 못하고 종교적 정통성에 대한 도전으로 여겨졌습니다. 피렌체의 교회법원에서 자신의 이론을 변론하였지만 결국 교회 압박에 굴복하고 자신의 주장을 철회하였습니다. 갈릴레오는 형집행을 면하려고 교회에 충성심을 표명하고 일단락되었습니다. 오늘날 그의 천문학 연구는 역사상 주요 발견으로 인정되고 있으며 1642년 페렌체에서 세상을 떠났습니다.  

 

피사의 사탑

피사의 사탑 실험은 갈릴레이의 가장 유명한 실험이며 서로 다른 무게의 물체를 사탑 위에서 동시에 떨어뜨려 동시에 낙하한다는 것을 증명하였다고 알려져 있습니다. 물론 상징적인 의미라 생각되며 실제 갈릴레오가 이 실험을 피사의 사탑에서 수행했는지는 알 수 없습니다. 결론은 갈릴레오의 연구와 과학적 방법에 대한 그의 접근을 알게 해 주는 예시입니다.

유네스코 세계문화유산 피사의 사탑

 

피사의 사탑, 공식적으로는 피사 대성당의 독립 종탑으로 이탈리아 피사에 있으며, 1173년 건축 시작하여 1372년 완공하였으며 높이 약 56미터, 경사는 약 3.97도이며, 무게는 약 14,500톤으로 추정되고 있다. 갈릴레오 이전, 아리스토텔레스는 무거운 물체가 가벼운 물체보다 빨리 떨어진다고 주장하였고, 갈릴레오는 의문을 제기하여 낙하하는 물체의 운동에 대한 자신의 이론을 실험적으로 검증하고자 했습니다. 갈릴레오는 물체의 낙하 운동을 수학적으로 설명하기 위해 가속도 개념을 도입하였고 모든 물체가 동일한 가속도로 낙하한다고 가정하였습니다. 이러한 추론은 "새로운 두 과학에 대한 논의와 수학적 논증(Discorsi e Dimostrazioni Matematiche Intorno a Due Nuove Scienze, 1638년)"라는 갈릴레오의 기술되어 있다.  이 저서는 오늘날 최초의 근대적 과학 교과서로 평가받고 받았다.

최초의 근대적 과학 교과서(갈릴레오, 1638 출간)

 

오늘날에는 이런 실험이 간단한 물리식으로 표현되는데, 물체의 자유낙하 거리 S, 중력 가속도 g~9.8m/s², 낙하시간 t인 경우 아래 식으로 주어지면 명확히 질량이나 무게를 포함하지 않아 갈릴레오의 주장이 옳다는 것을 보여 줍니다.

S = 1/2 gt²

 

갈릴레오는 경사면을 이용한 실험으로 가속도 개념을 실험적으로 이해하고 있었으며 다양한 각도의 경사면에서 공을 굴리며, 공의 속도가 시간에 따라 어떻게 변하는지 이해하였습니다. 이 실험을 통해 그는 물체의 속도가 시간이 지남에 따라 일정하게 증가한다는 것, 즉 물체가 등가속도로 운동한다는 사실을 발견했습니다.

• 시간의 제곱에 비례하는 거리: 물체가 경사면을 내려올 때 거리가 시간의 제곱에 비례하여 증가한다는 등가속도 운동의 특징을 이해하고 있었습니다.
• 가속도 운동의 법칙:  물체가 일정한 가속도로 움직일 때, 물체의 최종 속도는 초기 속도, 가속도, 그리고 움직인 시간의 곱에 의해 결정된다는 법칙을 당시 알아냈습니다.
• 무게와 낙하 속도의 독립성: 물체의 낙하 속도가 그 물체의 무게에 독립적이라는 사실을 주장하였습니다. 이는 이전의 아리스토텔레스적 관점과는 대치되는 주장으로 외부에서 별도의 힘이 작용하지 않은 한 지구 상에서 모든 물체가 같은 가속도로 낙하한다는 현대 물리학의 기본 원리와 상통합니다.

알아야 할 사항은 단순히 물체의 낙하 실험이 아니라 갈릴레오의 접근 방식은 관찰과 수학적 모델링으로 자연 현상을 이해하려는 시도 중 하나였으며, 과학적 방법론의 발전에 중요한 역할이었습니다.

 

망원경의 개량 및 천체 관찰

1609년, 갈릴레오는 네덜란드의 안경 제작자들이 개발한 초기 망원경 디자인을 발전시켰습니다. 이 망원경은 대략 3배에서 시작하다가 점차 개선되어 30배까지 확대 가능하게 되었습니다. 망원경은 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합하여 더 선명하고 광범위한 시야를 제공하였습니다. 하지만 그가 만든 망원경은 시야가 좁아서 달 전체를 볼 수 없었으며 시야가 약 15분각(달의 지름이 약 30분각, 1분각=1도의 1/60)으로 한 번에 달의 1/4 정도 관찰할 수 있었다.

갈릴레이 망원경(좌)과 그의 개량된 망원경 구조(우)

 

갈릴레오는 이 망원경으로 이룬 천문학적 발견은 다음과 같습니다.

• 달의 표면 관찰(A): 갈릴레오는 달이 매끄럽지 않고 산과 계곡으로 이루어진 표면을 보았습니다. 달이 완벽하고 변하지 않는 천체라는 당시의 관념에 변화를 가져 옵니다.
• 목성의 위성(B): 1610년, 목성 주변을 도는 네 개의 위성(현재 갈릴레이 위성)을 발견하였으며 이 발견은 모든 천체가 지구를 중심으로 돌지 않으며, 태양 중심의 우주(코페르니쿠스 체계)가 맞다는 결론에 도달합니다.
• 태양의 흑점(C): 더 나아가, 갈릴레오는 태양 표면에 어두운 반점이 있다는 것을 관찰하였고 이 흑점들은 태양이 고정되지 않고 자전하고 있음을 확인합니다. 이 또한 천체의 완전성에 대한 기존 이론에 커다란 의구심을 갖게 합니다.
• 금성의 위상(D): 금성이 지구에서 보이는 것처럼 서로 다른 위상을 가진다는 것을 발견했습니다. 이는 금성이 태양 주위를 도는 것을 뒷받침하는 증거이자 지동설을 지지하는 또 다른 관측이었습니다.

걀릴레오의 관측 스케치

갈릴레오의 지동설 옹호와 관성의 법칙, 단진자 해석, 과학적 방법론에 대해서는 2편에서 다루고자 합니다.