만물의 이론, 스티븐 호킹. 태양이 지구를 돈다? 지구 평면설?

기원전 340년 아리스토텔레스는 그의 책 "온 더 헤븐"에서 지구는 평면이 아닌 원형이라고 서술하고 있다. 월식이 지구가 달과 해 사이에 위치할 때 일어나는 일이라고 설명한다. 지구가 달을 가릴 때 그림자가 원형이므로 다른 모양일 수 없을 것이라고 추측했다. 만약 지구가 평평했다면 지구의 그림자가 길쭉하거나 타원형이어야 맞는 이야기가 된다는 것이다. 

그리스인들은 북극성이 남쪽에서 보면 북쪽에서 볼 때 보다 더 낮게 위치함을 알고 있었다. 이집트에서 관측할 때가 그리스에서와는 달랐다. 게다가 아리스토텔레스는 지구 둘레를 4000 스타디아로 측정했는데 이는 약 실제 둘레보다 두배가 더 높은 수치다. 스태디아의 길이는 정확히 알려진 바가 없으나 대략 200야드로 추측되고 있다. 

마지막으로는 수평선 넘어 오는 배의 선체가 한 번에 보이지 않고 나중에서야 보인다는 경험으로 지구가 둥글다고 그리스인들은 주장했다. 

아리스토텔레스는 지구가 가만히 있고 태양, 달 그리고 다른 행성들이 지구를 돈다고 가정했다. 신화에 기반한 믿음이었으며 지구가 우주의 중심이며 지구가 중심에 있어야 우주의 원형 운동이 설명가능하다고 믿었다. 

프톨레마이오스의 모델은 우주의 운행 원리를 비교적 적합하게 설명하고 있다. 하지만 그의 가설을 설명하기 위해서는 달이 평소보다 두 배는 가까이 접근해야만 했고, 이는 가끔씩 지구에서 달이 두 배는 커 보여야만 했다. 포톨레마이오스는 이 결함을 알고 있었으나 그의 가설은 대체적으로 받아들여졌다. 나머지 별들은 하늘에 박혀 있다는게 골자다. 

1514년에는 폴란드 신부가 제시한 더 단순한 가설이 있었다. 니콜라스 코페르니쿠스는 이단으로 몰릴 두려움에 가설을 익명으로 발간했다. 태양은 가만히 있고 지구가 그 주변을 돈다는 것이 그의 생각이었다. 코페르니쿠스의 생각이 진지하게 받아들여지기 시작한 것은 1세기가 지난 뒤였다. 그리고 두 명의 천문학자, 독일인 요하네스 케플러와 이탈리아인 갈릴레오 갈릴레이는 공개적으로 코페르니쿠스의 가설을 지지하기 시작했다. 물론 관측과 궤도가 추측한 것만큼 정확히 맞지는 않았다. 

아리스토텔레스와 프톨레마이오스의 가설은 1609년에 사망선고를 받는다. 갈릴레오는 막 발명된 망원경으로 밤하늘을 관측하기 시작했다. 

갈릴레오는 목성이 여러개의 위성과 달들이 목성 주위를 돌고 있음을 발견하게 되었다. 이는 아리스토렐레스나 프톨레마이오스가 주장한 것처럼 세상 모든 별들이 지구를 중심으로 돌고 있지 않다는 뜻이 된다. 여기까지만 보면 지구가 중심인 것이 말이 되었으나 목성의 달들이 목성 주변을 도는 모습으로 보자면 이 것들이 지구를 도는 궤도가 너무 복잡했다. 그러기에 코페르니쿠스의 가설이 더욱 단순했다. 

같은 시각 케플러는 코페르니쿠스의 이론을 손보고 있었다.  행성들이 원형이 아닌 타원으로 운행된다는 것이었다. 추측이 관측과 맞아 떨어졌다. 하지만 케플러에게는 타원운행가설은 단지 임시가설일 뿐이었다. 왜냐하면 타원은 원 보다 완벽하지 않았기 때문이다. 우연에 의한 발견이었지만 타원운행이 발견되었다. 하지만 케플러는 행성들이 자기장에 의해 태양 주변을 돈다는 가설을 놓지 못 했다. 

1687년 뉴튼이 등장하였고 자신의 저서 자연철학의 수학적원리를 통해 행성의 운행에 대한 설명을 해내었다. 물리학 역사에서 가장 중요한 저서 중 하나로 꼽힌다.  뉴튼은 단순히 시공간에서의 운행원리에 대한 이론만 내세운게 아닌 수학적을 사용하여 운행을 분석, 설명 하였다. 그리고 만유인력의 법칙 가설을 세웠다. 우주의 각물체는 힘에 의해 다른 물체에 끌리며 더 큰 물체일수록 더 강하고 더 가까워진다는 것이었다. 이 힘은 물건이 바닥에 떨어지게 만드는 힘과 똑같은 힘이었다. 머리 위로 떨어진 사과 이야기는 사실 지어낸 이야기에 가깝다. 뉴튼은 이런 경험을 했다고 말한 적이 없다. 

뉴튼은 자신의 법칙으로 설명하였는데, 달을 타원으로 돌고 지구와 다른 행성들도 타원으로 태양을 돈다는 것이었다.  프톨레마이오스가 주장한 경계가 있는 천체/천구우주설은 코페르니쿠스에의해 사라졌다. 지구가 태양을 돌아도 별들의 위치가 바뀌지 않았다. 이는 다른 별들이 우리의 태양과 같은 물체로 가정하는게 합당했다. 하지만 뉴튼에게 하나의 문제가 생겼다. 그의 이론에 의하면 별들은 서로를 잡아당겨야 한다. 그렇다면 기본적으로 안 움직일수가 없다. 그렇다면 어느 순간에는 이 별들이 모두 떨어지게 되는가? 

 

1691 신학자 리처드 벤틀리(벤틀리의 역설)와의 편지에 뉴튼은 우주가 유한하다면 이는 그럴 수 밖에 없다고 인정한다. 하지만 다른 한 편으로는 만약 무수한 별이 무작위로 무한한 우주에 분포되어 있다면, 중심이 존재하지 않기에 별들이 떨어질 일은 없을 것이라고 했다. 이 주장은 우주가 무한하다고 말하는 사람들에게는 함정이 된다. 

 

무한우주에서는, 모든 점들은 중심이 된다 왜냐하면 모든 점에는 무한한 숫자의 별들이 사방에 존재하기 때문이다. 올바른 접근법은, 유한한 상황을 고려할 때 모든 별은 서로에게 떨어질 수 밖에 없다. 만약 누군가 적절히 균일하게 별들이 분포된 지역에 더 많은 별들을 더하면 어떻게 될 것인지에 대해 물을 수 있다. 뉴튼의 법칙에 의하면 기존 별들이 달라질게 없다,  별들은 그냥 더 빠르게 떨어질 뿐이다. 별을 얼마나 더하든 별들을 서로를 끌어 당길 것이다. 중력이 작동하는 우주라면 무한하며 정적인 우주는 존재할 수 없다는 것을 알 수 있다. 

20세기 이전에는 그 누구도 우주가 팽창한다거나 수축한다는 생각을 제시한 적이 없다. 단순히 그냥 변함없는 상태로 존재해 왔고 유한한 시간 안에서 과거에 창조된 결과물 이다. 본인들의 생노병사에는 의문을 품지 않으면서 우주는 변하지 않는다는 영원한 진리를 믿고 싶어한 성향 때문일 수도 있다.