[TV 속 과학] 무빙(2023) - 7화 봉석이가 수능 전날 외운 프톨레마이오스는 누구일까, 프톨레마이오스의 천동설과 주전원

무빙 7화, 수능을 하루 앞두고 공부에 매진하고 있는 봉석이에게 희수의 응원문자가 온다. 이때 봉석이가 외우고 있던 '프톨레마이오스'라는 이름에서 아마도 봉석이는 지구과학을 공부하고 있었던 것으로 보인다.
 

디즈니 무빙(좌)과 프톨레마이오스(우)

 
봉석이가 그토록 열심히 외우고 있던 프톨레마이오스는 누구일까? 프톨레마이오스는 천동설을 주장한 대표적인 학자로, 지동설을 주장한 코페르니쿠스와 대비된다.
 
과거 카톨릭 종교가 국가의 기반이 되었던 유럽에서 인간은 우주의 중심이었고, 인간이 살고 있는 땅이 우주의 중앙에 있어야 했다. 때문에 대부분의 학자들은 지구가 우주의 중심이며, 모든 천체가 지구를 중심으로 돈다는 것에 일말의 의심도 갖지 않았다. 이처럼 지구가 우주의 중심이고, 태양과 달을 비롯한 모든 천체(별)가 지구 주위를 공전한다는 가설을 '천동설'이라고 한다.
 

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하지만 과학기술이 발전함에 따라 천동설로는 설명할 수 없는 현상이 관찰되는데, 그 중 대표적인 것이 행성의 역행 현상이다. 밤하늘의 행성(수성, 금성, 화성, 목성, 천왕성, 해왕성)들은 매일 같은 시간에 관측하면 조금씩 서에서 동쪽으로 이동한다. 그런데 동에서 서쪽으로 이동하는 특정 기간이 존재하는 데, 이를 행성의 '역행'이라고 한다. 이는 지구가 중심에 있는 천동설로는 설명할 수 없다. 천동설에서는 지구는 중심에 가만히 있고, 모든 행성이 지구를 중심으로 반시계방향으로 공전하기 때문에 밤하늘의 행성은 항상 서에서 동쪽으로 이동해야 한다.
 

프톨레마이오스의 천동설 모형(좌)과 실제와 거의 동일한 코페르니쿠스의 지동설 모형(우)

 
프톨레마이오스는 이를 해결하기 위해 '주전원'이라는 개념을 도입한다. 천동설을 믿던 프톨레마이오스에게 지구가 우주의 중심이 아닐 수 있을 것이라는 가정은 애초에 고려되지 않았다. 프톨레마이오스의 주장에 따르면 모든 행성은 주전원이라는 작은 원을 중심으로 회전하면서 지구 주위를 공전한다는 개념이다. 제자리에서 회전하는 자전과는 개념이 조금 다르다. 이를 이용하면 행성의 역행을 설명할 수 있는데, 문제가 하나 더 발생한다.
 

관측의 오류를 수정하다보니 천동설은 갈수록 그 형태가 복잡해져 갔다.

 
지구보다 태양에 더 가까운 내행성(수성, 금성)은 태양에서 크게 벗어나지 못한다. 즉, 외행성(화성, 목성, 토성 등)들은 태양의 반대편에서 관측이 가능한데, 내행성은 태양의 반대편에서 관측될 수 없다. 현재에도 내행성의 경우 해가 뜨기 직전이나 해가 진 직후에만 관찰할 수 있는 반면, 외행성은 밤 12시에도 관측이 가능하다. 프톨레마이오스는 이를 설명하기 위해 수성과 금성은 태양과 각은 각속도로 지구 주위를 공전하기 때문에 다른 행성과 달리 항상 태양 근처에서만 관측이 된다고 주장했다. 지금 보면 뭔가 딱 떨어지지 않는 지저분한(?) 이론같아 보이지만, 천동설에 대한 고정관념이 박혀있는 당시에는 이게 최선이었을 것이다.