잊혀진 지식의 귀환 — 톨레도의 도서관에서 별의 진실까지

오늘날 톨레도의 모습 (위키피디아)

 

지중해를 건넌 지식 — 1085년 톨레도의 함락

1085년, 기독교 세계와 이슬람 세계 사이에서 수백 년 동안 이어져 온 긴 전쟁이 하나의 전환점을 맞이했다. 스페인 중부의 고도(古都) 톨레도가 카스티야 왕 알폰소 6세의 군대에 함락되면서, 지중해 북안과 남안을 나누던 문명의 경계선이 조금씩 이동하기 시작한 것이다. 그런데 이 군사적 사건이 낳은 가장 놀라운 결과는 전쟁터가 아니라 도서관에서 나왔다.

 

도시가 기독교인의 손에 넘어가자, 그 안에는 아랍 세계가 수백 년에 걸쳐 축적한 방대한 장서를 보유한 도서관들이 그대로 남아 있었다. 그중에서도 당시 기독교 유럽 사회가 이미 잊어버린 고대 그리스 고전의 아랍어 번역본들은 학자들을 경악하게 만들었다. 이슬람 세계는 이른바 '번역 운동(Translation Movement)'을 통해 9세기경부터 그리스의 철학·과학·의학 서적을 아랍어로 번역하고 정리해 왔는데, 아랍어로 번역된 《알마게스트》는 이슬람 세계에 널리 확산되었다가 라틴어로 재번역되어 유럽 중세 사회로 흘러들었다. 이 도서관들에서 쏟아진 문헌들은 12세기 유럽 학문의 르네상스, 이른바 '12세기 르네상스'의 씨앗이 되었다.

《알마게스트》 — 1,400년을 지배한 책

톨레도에서 발견된 수많은 서적 가운데 단연 으뜸으로 꼽힌 것은 《알마게스트(Almagest)》였다. 원래 제목은 《천문학 집대성》이지만 아랍어 역본의 제목인 《알마게스트》로 더 잘 알려져 있으며, '최대의 서(書)'를 뜻하는 이 이름 자체가 당대 학자들이 이 책에 바친 경의를 그대로 보여준다.

 

이 책의 저자는 고대 그리스의 수학자·천문학자·지리학자인 클라우디오스 프톨레마이오스(AD 83년경~168년경)로, 이집트 알렉산드리아에서 활동하며 지구가 우주의 중심이라는 천동설을 수학적으로 집대성했다. 그의 저술은 고대 그리스·헬레니즘·바빌로니아 천문학자들이 수세기에 걸쳐 축적한 연구의 절정이었다.

 

총 13권으로 구성된 이 책은 제1권에서 천동설의 개론을 제시하고, 제2권에서는 삼각법과 구면 삼각형의 해법을 다루며, 제3~6권에서는 태양과 달의 운동·일식·월식 등을 설명했다. 제7~8권에서는 1,022개 항성의 황도 좌표와 등급을 정리한 방대한 항성 목록을 담았고, 제9~13권에서는 행성의 운동을 독창적으로 분석했다.

주전원(周轉圓) — 수학적 천재성과 한계

프톨레마이오스의 이론이 단순하지 않았던 데는 이유가 있었다. 아리스토텔레스의 지구 중심 우주 체계는 일찍부터 결함을 드러냈다. 예를 들어, 달의 크기는 관측 시기에 따라 8~10%의 변동을 보이며, 행성들도 밝기의 변화를 나타냈다. 이는 지구에서 행성까지의 거리가 변한다는 것을 의미했지만, 아리스토텔레스의 완벽한 동심원 체계에서는 설명할 수 없는 현상이었다.

 

이 모순을 해결하기 위해 프톨레마이오스는 지구가 우주의 중심에 있다는 기본 전제를 유지하면서도, 원운동 관념과 실제 관측 결과를 일치시키기 위해 주전원(周轉圓, epicycle)과 이심원(離心圓, deferent)이라는 두 가지 개념을 새롭게 도입했다. 쉽게 말해, 행성은 작은 원(주전원)을 그리며 돌고, 그 주전원의 중심이 다시 지구 주위를 도는 큰 원(이심원) 위를 공전한다는 구조였다.

 

주전원은 주원(이심원)과 같은 방향으로, 그러나 더 빠른 속도로 회전한다. 따라서 주전원이 주원의 바깥쪽을 돌 때는 두 속도가 합산되어 행성이 빠르게 움직이는 것처럼 보이고, 주원의 안쪽을 도는 순간에는 주전원의 회전이 주원의 회전을 상쇄하여 행성이 거꾸로 움직이는 것처럼 보이는 역행 현상이 나타난다. 이 정교한 수학적 장치 덕분에 천동설은 당시 관측 가능한 거의 모든 천문 현상을 설명할 수 있었다.

 

그러나 복잡함의 대가는 컸다. 프톨레마이오스 우주론의 복잡성에 관해 13세기 스페인의 왕 알폰소 10세는 "태초에 만물이 창조될 때 내가 그곳에 있었다면 훗날 우주의 섭리를 찾아 헤맬 인간들을 위해 약간의 실마리를 남겨 놓았을 것이다"라는 말을 남겼다. 복잡할수록 옳아 보이기도 했지만, 복잡할수록 균열도 커졌다.

 

그럼에도 불구하고 프톨레마이오스 체계를 정리한 《알마게스트》는 중세 이슬람 세계를 거쳐 중세 유럽에 전달되어 약 1,500년간 교과서적인 권위를 가졌다. 유럽 기독교계가 이 체계를 기꺼이 받아들인 데는 종교적 이유도 있었는데, 항성천구 바깥에 천국과 지옥을 위한 공간이 마련될 수 있었기 때문에 교회는 이 우주 모형을 진리로 공인했다.

튀코 브라헤 — 섬 위의 천문학자

프톨레마이오스의 우주관이 1,000년 이상 서양 세계를 지배하던 시절, 그 틀에 진지한 균열을 내기 시작한 인물이 나타났다. 바로 덴마크의 천문학자 튀코 브라헤(Tycho Brahe, 1546~1601)였다.

 

맨눈으로 정밀한 천문 관측을 수행한 역사상 가장 뛰어난 관측 천문학자로 불리는 브라헤는 덴마크 귀족 출신이었으며, 점성술사이기도 했다. '인간 천문대'로 불릴 정도로 탁월한 시력을 지닌 그는 망원경이 없던 시절, 오직 맨눈으로 방대한 양의 정밀 관측을 수행했다.

신성(新星)의 충격 — 불변하는 천구는 없다

1572년 11월 11일, 브라헤의 삶을 바꾼 사건이 일어났다. 실험실에서 집으로 돌아오던 그가 익숙하게 올려다본 카시오페이아 자리에서, 평소에는 없던 매우 밝은 별 하나가 빛나고 있었다. 현재 'SN 1572'로 불리는 이 천체는 당시 금성에 맞먹을 정도로 밝았다.

 

이 신성(nova) 사건은 당시 교회의 '가장 바깥 천구는 영원불멸하다'는 이론에 정면으로 반례를 제시하는 것이었다. 브라헤는 즉각적인 결론을 내리지 않고 육분의를 이용해 14개월간 꾸준히 관측했다. 그는 이 별이 토성보다도 훨씬 먼 곳에 있음을 밝혀냄으로써 '천상계는 불변하다'는 아리스토텔레스의 우주관을 근본적으로 흔들었고, 이 연구 결과를 《신성에 관하여》라는 저서로 출판해 학계의 유명 인사가 되었다.

우라니보르 — 섬에 세운 과학의 성

브라헤의 명성이 높아지자 덴마크 왕 프레데리크 2세는 그가 국외로 떠나는 것을 막으려 했다. 1576년, 왕은 코펜하겐과 엘시노어 사이 해협에 위치한 작은 섬 벤(Ven)을 브라헤에게 증여하고, 최첨단 천문대 건설을 위한 전폭적인 재정 지원을 약속했다.

 

브라헤는 이 섬에 '하늘의 성(城)'이라는 뜻의 우라니보르(Uraniborg)를 건설했다. 이 천문대는 당시 세계에서 가장 잘 설비된 천문관측소로, 연구실·관측실·기계 공작실·침실·식당 등의 시설이 완비된 역사상 최초의 근대적 천문대였다. 지하에는 연금술 실험실이 있었고, 약초원·연못·수목원과 함께 가죽 무두질 공장, 제분기, 인쇄기, 제지 공장까지 갖추어 연구의 모든 과정을 섬 안에서 자급자족할 수 있었다.

 

브라헤는 우라니보르 외에도 스테르네보르(Stjerneborg)라는 지하 천문대를 별도로 건설하여 더욱 정밀한 관측을 수행했다. 관측 장비 중 가장 유명한 것은 반경 2미터에 달하는 대형 사분의(四分儀, quadrant)로, 천체의 고도를 측정하는 데 쓰였다. 망원경이 발명되기 전까지 가장 정밀했던 그의 관측 기록은 태양계와 777개 이상의 별·행성의 정확한 위치를 포함하고 있었다.

혜성의 궤도 — 천구를 뚫고 지나간 증거

브라헤의 두 번째 결정적 발견은 1577년에 찾아왔다. 그 해 밝은 혜성이 하늘에 나타났고, 브라헤는 정밀하게 그 궤도를 추적했다. 당시 사람들은 혜성이 지구 대기 내에서 일어나는 현상이라 생각했으나, 그는 혜성이 달과 지구 사이의 대기가 아닌 훨씬 먼 곳에서 날아오는 천체임을 밝혀냈다. 더 나아가 혜성이 행성들의 궤도를 가로질러 운행한다는 결론을 도출해 냈다.

 

이는 당시 우주관에 심각한 문제를 제기했다. 각 천체가 분리된 수정 천구(天球) 위에서 움직인다면, 혜성이 그 천구들을 통과할 수 없기 때문이었다. 즉, 천구는 존재하지 않거나, 혜성이 통과할 수 있을 만큼 단단하지 않다는 뜻이었다. 전통적인 우주관이 완전하지 않다는 것이 점점 더 명확해지고 있었다.

관측에서 혁명으로 — 브라헤 이후

브라헤 자신은 끝까지 지구가 우주의 중심이라는 믿음을 놓지 못했다. 그는 코페르니쿠스 체계의 기하학적 장점과 프톨레마이오스 체계의 철학적 장점을 결합하여, 태양이 지구 주위를 돌고 나머지 행성들은 그 태양 주위를 도는 '튀코 체계'를 제안했다.

 

그러나 역사의 아이러니는, 그의 방대하고 정밀한 관측 자료가 결국 그의 이론을 무너뜨리는 도구가 되었다는 데 있다. 브라헤가 천동설을 옹호하기 위해 남긴 관측 기록은, 그가 사망한 후 제자 요하네스 케플러가 분석하여 케플러 법칙을 도출해 내는 결정적인 자료가 되었고, 결국 지동설을 지지하는 증거로 활용되었다.

 

톨레도의 도서관에서 아랍어 번역본으로 유럽에 돌아온 고대 그리스의 우주론은, 1,400년 가까이 서양의 세계관을 지배했다. 그러나 정밀한 관측이라는 칼날 앞에서 그 체계는 조금씩 균열을 보이기 시작했다. 프톨레마이오스가 수학으로 봉합하려 했던 모순은, 튀코 브라헤가 맨눈으로 직시한 신성과 혜성의 궤적에 의해 다시 열렸다. 그리고 그 틈새로, 훗날 케플러와 뉴턴의 혁명이 흘러 들어왔다. 과학의 역사는 완전한 파괴와 새로운 창조가 아니라, 관측과 사유의 끊임없는 축적 위에서 이루어진 점진적 혁명이었다.

베인 섬

브라헤가 그린 것에 기초한 베인 섬의 지도