케플러는 무엇을 발견했을까? '완벽한 원'을 깨뜨린 행성 운동 3법칙

요하네스 케플러가 발견한 것은 행성이 완벽한 원이 아니라 타원을 그리며 태양 주위를 돈다는 사실입니다. 그는 행성의 움직임을 세 가지 법칙으로 정리했습니다. 첫째, 모든 행성의 궤도는 태양을 한 초점으로 하는 타원이다. 둘째, 행성과 태양을 잇는 선은 같은 시간 동안 같은 넓이를 쓸고 지나간다. 셋째, 공전 주기의 제곱은 궤도 긴반지름의 세제곱에 비례한다. 제1법칙은 1609년 『신천문학』에, 제3법칙은 1619년 『세계의 조화』에 실렸습니다. 수십 년 뒤 뉴턴은 이 법칙들을 만유인력 이론의 핵심 근거로 삼았습니다.

여기까지가 교과서의 답입니다. 그 뒤에는 나쁜 시력, 신앙 때문에 쫓겨난 일, 덴마크 천문학자와의 만남, 마녀로 몰린 어머니까지, 놀라울 만큼 인간적인 이야기가 숨어 있습니다.

별을 올려다본 병약한 소년

케플러는 1571년 12월 27일 지금의 독일 남부에 있는 작은 제국 자유도시 바일데어슈타트에서 태어났습니다. 용병이었던 아버지는 그가 다섯 살쯤 되었을 때 집을 떠났고, 어머니 카타리나는 약초를 다루는 치료사였습니다.

어린 시절 앓은 천연두 탓에 시력이 약해지고 손에도 장애가 남았습니다. 관측이 생명인 천문학자에게는 큰 약점이었습니다. 그래도 하늘은 일찍부터 그를 사로잡았습니다. 여섯 살 때는 어머니 손에 이끌려 높은 곳에 올라 1577년의 대혜성을 보았고, 아홉 살 때는 달이 붉게 물든 월식을 지켜보았습니다.

목사 지망생에서 코페르니쿠스주의자로

1589년 케플러는 루터교 목사가 되려고 튀빙겐 대학의 신학교에 들어갔습니다. 그곳에서 수학 교수 미하엘 메스틀린에게 지구 중심의 프톨레마이오스 체계와 태양 중심의 코페르니쿠스 체계를 함께 배우며 확고한 코페르니쿠스주의자가 되었습니다. 하지만 그의 신앙관이 루터교의 공식 교리와 맞지 않아 끝내 목사 안수는 받지 못했습니다.

1594년, 스물두 살에 그라츠의 개신교 학교에서 수학과 천문학을 가르치기 시작했고, 1596년 첫 주요 저서 『우주의 신비』를 펴냈습니다.

추방, 그리고 티코와의 만남

1600년 가톨릭 신자인 페르디난트 대공이 개신교도에게 개종하든지 떠나든지 하라고 명령하면서 케플러는 그라츠를 떠나야 했습니다. 같은 해 그는 덴마크 귀족 천문학자 티코 브라헤를 만나 화성 궤도 분석을 맡게 됩니다.

1601년 10월 24일 티코가 세상을 떠나자, 불과 이틀 뒤 케플러는 그의 후임으로 신성 로마 제국 황제 루돌프 2세의 궁정 수학자가 되었습니다. 이제 그의 손에는 누구도 갖지 못한 티코의 관측 자료가 있었습니다.

화성과의 긴 싸움

케플러 역시 처음에는 행성이 '완벽한' 도형인 원을 따라 움직인다고 믿었습니다. 그런데 티코의 화성 자료는 아무리 해도 원에 들어맞지 않았습니다. 화성의 궤도는 수성을 빼면 어떤 행성보다 길쭉해서 원과의 차이가 뚜렷하게 드러났기 때문입니다. 몇 년에 걸친 계산 끝에 그는 숫자가 말하는 답을 받아들였습니다. 궤도는 타원이고, 태양은 그 한가운데가 아니라 두 초점 중 하나에 있다는 것이었습니다.

1604년 10월 하늘에 밝은 새 별이 나타났을 때도 그는 꼼꼼히 관측했습니다. 지금은 초신성으로 알려진 이 별에 시차가 없다는 점을 근거로 행성들보다 훨씬 먼 곳에 있다고 주장했는데, 이는 "하늘은 변하지 않는다"는 오랜 믿음에 대한 도전이었습니다.

1612년 오스트리아 린츠로 옮긴 그는 1618년 행성이 태양을 한 바퀴 도는 시간과 태양까지의 거리 사이의 관계를 찾아내 1619년 『세계의 조화』에 발표했습니다. 이것이 제3법칙입니다.

어머니를 지킨 아들

1615년 어머니 카타리나가 레온베르크에서 마녀로 고발당했습니다. 케플러는 편지로, 또 직접 찾아가 어머니를 변호했습니다. 어머니는 1620–1621년 감옥에 갇혀 고문 위협 속에서 심문을 받았지만 끝까지 자백하지 않았고, 1621년 10월 4일 풀려난 뒤 약 반년 만에 세상을 떠났습니다.

마지막 작업과 남긴 것

1627년 그는 티코의 관측과 자신의 법칙을 바탕으로 『루돌프 표』를 펴냈고, 1630년 11월 15일 레겐스부르크에서 58세로 세상을 떠났습니다. 1687년 뉴턴의 『프린키피아』는 케플러 법칙을 따르는 궤도에는 태양을 향하고 거리의 제곱에 반비례하는 힘이 필요하다는 것을 보였습니다. 케플러가 행성이 '어떻게' 움직이는지 밝혔다면, 뉴턴은 '왜' 그렇게 움직이는지를 설명한 셈입니다.

케플러로 배우는 한국어 표현

노력과 발견을 이야기할 때 쓰기 좋은 표현들입니다.

표현	뜻	예문
앞뒤가 맞지 않다	내용이 서로 어긋나다	그 설명은 앞뒤가 맞지 않는다.
처음부터 다시 하다	실패 후 새로 시작하다	실험이 실패해서 처음부터 다시 했다.
시행착오	여러 번 시도하며 실패에서 배우는 일	시행착오 끝에 완성했다.
벽에 부딪히다	어려움에 막히다	연구가 벽에 부딪혔다.
돌파구를 찾다	해결의 길을 발견하다	새 자료에서 돌파구를 찾았다.

연습: 여러 번 실패한 끝에 해결한 문제를 하나 떠올려 "시행착오"와 "돌파구를 찾다"를 넣어 한국어로 세 문장을 써 보세요.