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지동설은 태양을 중심으로 지구도 회전운동을 한다는 이론으로 지구를 중심으로 우주가 회전한다는 천동설(geocentric theory)에 반대되는 이론이다.

목차

지구가 우주의 중심이 아니라는 이론은 피타고라스 학파의 필로라우스(Philolaus, 기원전 390년경)에 의해 제안되었다. 필로라우스의 제안에 의하면 우주의 중심에는 불덩이가 있고, 이 불덩이 주위를 지구, 태양, 달 및 행성들이 완벽한 원운동을 한다. 이 제안에 의하면 중심의 불덩이 반대편에는 지구와 같은 주기로 돌고 있는 대응되는 천체가 있고, 태양도 불덩이를 중심으로 1년에 한 번 회전운동을 한다.

피타고라스 학파에 의해 제안된 원운동은 이후 약 2000여 년간 천체의 운동 법칙으로 받아들여졌다. 피타고라스(Pythagoras of Samos, 기원전 570~495년경) 전통을 이어받아 프톨레마이오스(C. Ptolemaeos, 1세기)는 행성은 지구를 중심으로 천구에서 원운동을 한다고 이해하였다.^{1) 2)} 하지만 화성과 같은 행성들은 천구상에서 방향을 바꾸기도 한다. 이를 설명하기 위해 행성의 운동을 하나의 원이 아니라 여러 개의 원으로 설명함으로써, 천구에서의 행성의 운동이 점점 복잡해지게 되었다.¹⁾

기록에 의하면 태양이 우주의 중심이라는 이론을 처음 제안한 사람은 아리스타르쿠스(Aristarchus of Samos; 310 BC-230 BC)이다. 사모스는 계산을 통하여 태양이 지구보다 6~7배 가량 길이가 긴 것을 발견했고, 결과적으로 부피는 백여 배 이상 되어야 한다는 결론에 도달하였다고 한다. 아리스타르쿠스의 계산 기록은 현재 남아있지 않다.

코페르니쿠스(N. Copernicus, 1473-1543) 이전에도 유럽에 태양 중심의 우주관이 가끔씩 나타나곤 했다. 5세기 카펠라(M. Capella, 5세기)는 수성과 금성이 지구가 아니라 태양을 중심으로 회전한다는 의견을 피력하기도 하였다. 코페르니쿠스 자신도 카펠라가 자신의 연구에 영향을 미쳤음을 언급하였다. 중세 후기에 오레스메(N. Oresme, 1320년경-1382)는 지구가 자전을 하고 있을 가능성을 제시하기도 하였다.

인도의 아랴바타(Aryabhata, 476-550)는 지구가 자전을 하고 있는 모델을 제안하였고 행성의 주기를 태양 중심으로 설명하였다. 이슬람 세계에서는 일반적으로 지구중심설이 받아들여지고 있기는 했지만, 간간이 지구의 자전 및 태양 중심의 행성 운동설이 논의되기도 하였다.

코페르니쿠스는 태양을 중심으로 한 행성의 운동이 지구를 중심으로 한 운동보다 훨씬 자연스러움을 발견하였다. 하지만, 그의 생각은 지구를 우주의 중심으로 보는 당시의 종교적 세계관에 의해 넓게 전파되지는 못하였다. 이후, 브라헤(T. Brahe, 1546-1601), 케플러(J. Kepler, 1571-1630), 갈릴레이(G. Galillei, 1564-1642) 및 뉴턴(I. Newton, 1642-1727)을 거쳐 태양 중심의 행성 궤도운동이 받아들여지게 된다.

케플러는 브라헤의 관측 결과를 이용하여 행성이 태양 중심으로 원운동이 아니라 타원운동을 하고 있음을 밝혔다. 또한, 태양을 중심으로 한 행성의 운동 면에서, 동일한 시간 동안 행성이 휩쓸고 지나간 면적이 일정함을 밝혔다. 케플러법칙은 아래와 같이 크게 세가지로 정리된다.

뉴턴은 만유인력을 이용하여 케플러의 세 가지 법칙을 모두 설명할 수 있음을 보였다. 질량이 @@NAMATH_INLINE@@m_1@@NAMATH_INLINE@@과 @@NAMATH_INLINE@@m_2@@NAMATH_INLINE@@인 두 물체가 거리 @@NAMATH_INLINE@@r@@NAMATH_INLINE@@만큼 떨어져 있을 경우 두 물체 사이에 작용하는 만유인력 @@NAMATH_INLINE@@F@@NAMATH_INLINE@@은 아래와 같다. @@NAMATH_INLINE@@G@@NAMATH_INLINE@@는 중력상수이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@F=G{{m_1 m_2}\over{r^2}} .@@NAMATH_DISPLAY@@

반면 뉴턴의 운동 법칙은 아래와 같이 요약된다.

뉴턴의 제1법칙에 의해 정지한 물체는 정지해 있고, 직선으로 등속운동을 하는 물체는 물체의 운동을 유지한다. 행성이 태양으로 떨어지지 않고 타원운동을 유지하는 것은 행성은 운동 방향을 유지하려는 반면, 중력은 매순간 행성의 운동 방향과 수직으로 작용하여 운동 방향을 바꾸기 때문이다.

현대에는 관측의 발달로 태양도 우리 은하 내부의 한 별에 불과하다는 것이 발견되었다. 태양도 은하 중심의 블랙홀을 중심으로 타원운동을 하고 있는 것이 발견된 것이다. 더 나아가 우리 은하도 우주에 존재하는 수많은 은하 중의 하나임이 발견되었다. 현대 우주론에 의하면 우주에는 특별한 중심은 없고 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 각각의 천체들이 중력의 영향을 받아 운동을 하고 있을 뿐이다.

1. 교양으로 읽는 물리학 강의, 임채호 지음, 지성사
2. 피타고라스는, 처음과 끝이 없고 중심으로부터 일정한 거리를 유지하므로, 원을 가장 완벽한 도형으로 이해하였다.