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[근대] 케플러 (브리)
케플러 Johannes Kepler 1571. 12. 27 뷔르템베르크 바일데어슈타트~1630. 11. 15 레겐스부르크 제국자유도시. 독일의 천문학자. 지구 및 다른 행성들이 태양을 중심으로 타원궤도를 그리면서 공전한다는 사실을 밝혔다. 우주에 대해 기하학적 설명을 했던 고대의 천문학을 역학적 천문학으로 전환시켰다. 르네상스 시대의 천문학자이며 점성학자였던 요하네스 케플러는 행성운동의 3가지 원리를 발견한 것으로 가장 잘 알려져 있다. 그는 이 원리들을 이용하여 태양계의 공간구조를 명확히 밝혔다. 또한 그는 인간이 시각을 인지하는 과정을 처음으로 정확히 설명하여 근대광학의 기반을 세우기도 했다 (→ 색인 : 광학). 그는 빛이 망원경에 입사(入射)된 후 어떻게 되는가를 정확히 설명한 첫번째 인물로서 특별한 형태의 망원경을 고안하기도 했다. 기하학적 묘사에 그쳤던 우주에 대한 고대의 해석이 그의 사상에 의해 근대의 역학적 천문학으로 변화되었고 천문학에 물리학적인 힘의 개념이 도입되었다. 초기생애 케플러는 1571년 12월 27일 신성 로마 제국의 자유도시였던 독일의 바일 시에서 태어났다. 그는 용병이었던 아버지와, 여관집 딸이었던 어머니의 불행한 결혼으로 태어난 미숙아(未熟兒)였다. 이때문에 케플러는 체격이 작았으며 건강했던 적이 없었지만, 그의 뛰어난 지적 능력만은 어려서부터 인정받았다. 가난한 집안의 아들 중에서 총명한 이에게 장학금을 제공했던 뷔르템베르크 공작의 계몽정책으로 케플러는 가난했지만 교육을 받을 수 있었다. 이러한 도움으로 1587년 그는 튀빙겐대학교에 다닐 수 있었고, 그곳에서 당시로는 유일하게 코페르니쿠스의 천문체계(지구는 하루에 1회씩 자전하며 1년에 1회씩 태양 주위를 공전한다는 체계)를 옹호했던 교수 미하엘 매스트린 밑에서 천문학을 공부할 수 있는 행운을 얻었다. 그결과 케플러는 일찍이 코페르니쿠스의 천문학을 수용하게 되었으며, 이것은 그의 생애에 중요한 영향을 끼쳤다. 주요업적 케플러는 1588년 학사학위, 1591년 석사학위를 받은 뒤 루터교 성직자가 되기로 결심했다. 그러나 케플러가 튀빙겐에서 신학교육을 받던 마지막 해인 1594년 오스트리아 그라츠에 있는 루터교 고등학교의 수학교사가 죽자 튀빙겐대학교 교수들은 후임교사로서 케플러를 강력히 추천했다. 그는 튀빙겐에서 신학과정을 모두 끝내지 못한 상태였지만 오스트리아의 그라츠로 가서 수학과 수사학, 그리고 비르길의 시를 가르쳤다. 1595년 여름 수업 도중 그에게 정다면체의 기하학적 형태와 행성의 궤도를 연관시킬 수 있는 놀라운 생각이 떠올랐다. 고대 그리스의 기하학에 의하면 '플라톤 입체'라고도 하는 5개의 정다면체는 정4면체·정6면체·정8면체·정12면체·정20면체이다. 고대인들은 이러한 5개의 입체 이외에는 어떠한 정다면체도 1개의 구(球) 속에 들어갈 수 없다는 것을 알고 있었다. 케플러는 그가 플라톤 철학과 피타고라스 학파의 수학에서 유추한 수학적으로 조화로운 하늘을 기초로 하여, 행성의 궤도를 기하학적 도형과 관련지으려 했다. 코페르니쿠스 천문학에 따르면 행성은 6개가 있고 각각의 궤도는 눈에 보이지 않는 구의 회전에 의해 조절되었다. 그러나 행성은 9개나 100개가 아닌 6개뿐일까? 그는 "행성을 움직이는 6개의 보이지 않는 구 사이사이에 정다면체가 하나씩 끼워져 있으며, 정다면체는 5개뿐이므로 행성은 6개일 수밖에 없지 않을까?"라는 생각을 했다. 이러한 생각이 1596년 튀빙겐 교수진의 후원으로 출판된 그의 〈우주구조의 신비 Prodromus Dissertationum Mathematicarum Continens Mysterium Cosmographicum〉의 중심이 되는 주제를 이루었다. 하늘의 조화에 대한 케플러의 생각 중에서 플라톤적·피타고라스적인 요소가 신비주의적인 요소를 가지고 있었는데 이것은 케플러가 그의 행성운동의 3가지 원리를 정립하는 데 도움을 주었다. 케플러는 그의 이 첫번째 주요한 저서의 복사본을 신성 로마 제국의 제국수학자였던 티코 브라헤와 수많은 과학자들에게 보냈다. 티코 브라헤는 케플러의 〈우주구조의 신비〉에 기초를 이루고 있는 코페르니쿠스적인 생각에는 동의하지 않았지만 케플러의 천문학적 지식과 수학적 재능에 깊은 감명을 받아 1600년 케플러를 프라하 외각에 있는 베나테크 천문대의 연구원으로 초빙했다. 그 다음해(1601) 브라헤가 죽자 곧 케플러는 그 후임으로서 제국수학자로 임명되었다. 그가 프라하에서 처음 출판한 책은 〈더욱 믿을 만한 점성학의 기초 De Fundamentis Astrologiae Certioribus〉(1601)였는데, 이 책에서 그는 별들이 인간의 운명을 이끈다는 미신적인 관점을 거부했다. 그럼에도 불구하고 우주의 조화에 대한 그의 생각은 우주와 인간 사이의 조화에 대한 신념을 포함하고 있었으며 그의 점성술적인 예언 '기술'은 더욱 인기가 있었다. 1604년 10월 케플러는 희귀한 현상인 화성·목성·토성의 합(合)을 관측하던 중 초신성을 발견하여 그후 17개월 동안 관측했다. 이 사건은 고대로부터 순수하며 불변한다고 생각되어온 항성의 세계가 실제로는 변화를 겪을 수 있다는 증거였다. 케플러는 이 관측결과를 〈뱀주인자리의 발 부분에 있는 신성 De Stella Nova in Pede Serpentarii〉(1606)에 발표했다 (→ 색인 : 케플러 신성). 이제 케플러는 브라헤가 수집한 뛰어난 천문관측자료를 이용할 수 있게 되었다. 이 관측자료는 당시의 가장 위대한 육안관측가였으며 뛰어난 능력을 지닌 천문학자들의 지도자였던 티코 브라헤가 수십 년 동안 끊임없는 노력을 기울여 얻은 결과였다. 케플러는 브라헤 관측 팀의 일원으로서 화성을 연구하는 일도 맡았다. 그러나 케플러는 관측자료를 이용하기에 앞서 대기의 굴절문제, 즉 외계의 희박한 영역에 있는 천체로부터 오는 광선이 지구를 둘러싸고 있는 보다 조밀한 대기로 들어올 때 어떻게 굴절되는가 하는 문제를 해결해야 한다고 생각했다. 케플러는 자신의 연구결과를 〈비텔로를 보완한 천문학의 광학적 측면에 대한 해설 Ad Vitellionem Paralipomena, Quibus Astronomiae Pars Optica Traditur〉(1604)에 발표했다(비텔로는 광학에 대한 중세시대의 가장 중요한 논문들을 쓴 사람이었음). 이 책에서 케플러는 단순히 비텔로의 업적에 덧붙이는 것에 그치지 않고 시각이 인지되는 과정을 분석하여 눈의 구조와 기능을 이해하는 데 크게 공헌했다. 그는 시야에 들어오는 하나의 밝은 물체 위의 모든 점들은 모든 방향으로 광선을 발산하지만 조리개 작용을 하는 동공에 부딪히는 광선만이 눈에 들어갈 수 있다고 했다. 하나의 밝은 점에서 발산된 광선들은 하나의 원뿔을 형성하며, 이때 원뿔면은 동공 안에 위치한다. 정상적인 눈이라면 모든 광선이 눈 안에서 굴절되어 망막 위의 한 점에서 다시 만나게 되며, 비정상적인 눈에서는 광선이 다시 모이는 점이 망막 위가 아닌 그 앞이나 뒤에 있게 되어, 맺히는 상이 흐려지게 된다는 것이다. 안경은 이미 300년 이상 사용되고 있었지만, 이 작은 유리조각이 어떤 작용을 하는지 설명한 사람은 케플러가 처음이었다. 망원경의 발명 소식이 갈릴레오에게 전해지자 그는 이것을 이용하여 놀라운 발견을 했고, 케플러는 이미 사용했던 광학연구결과를 망원경의 원리를 설명하는 데도 적용했다. 또한 갈릴레오가 망원경을 이용하여 발견한 사실들이 당시에는 제대로 인정받고 있지 못했으나 케플러는 이 이탈리아인의 업적을 〈Dissertatio cum Nuncio Sidereo Nuper ad Mortales Misso a Galilaeo Galilaeo〉(1610)에서 다루었다. 갈릴레오는 답례를 하지 않았는데, 그 이유는 케플러가 1년 앞서 출판했던 '획기적 결과'를 무시하기로 했기 때문이었다. 비록 고대로부터 행성은 하늘의 일부이므로 완전한 것으로 여겨졌기 때문에 완전한 것들 중의 하나인 원이나 원의 조합으로 된 궤도만을 따라 움직일 수 있다고 믿어져왔지만, 1609년 케플러는 〈신천문학 Astronomia Nova〉에서 화성의 궤도가 타원이라고 주장했다. 코페르니쿠스가 지구를 행성의 하나라고 분류한 것은 정확한 것이었으며 지구는 결코 완전한 것이 아니라는 사실도 받아들여졌다. 케플러는 코페르니쿠스의 논리를 다른 행성에도 적용했고, 다른 행성들 역시 물질로 된 천체라는 점에 있어서는 지구와 닮았다고 처음으로 선언했다. 케플러가 이렇게 불완전하고 물질로 된 천체가 완전한 원궤도를 돌 필요가 없다는 결론을 내리게 된 것은 브라헤가 관측한 화성의 궤도와 생각해낼 수 있는 모든 원의 조합을 맞추는 데 실패한 후 내린 결론이었다. 원을 조합한 그 어느 궤도도 맞는 것이 없었으므로, 올바른 해답을 찾을 때까지 원이 아닌 궤도와 비교해본 결과 화성은 타원궤도를 돌고 있으며, 그 타원의 2개 초점 중 1개에 태양이 위치한다는 것을 알았다. 오직 원궤도만을 허용한 케플러 이전의 신념으로 생각할 수 있는 운동은 항상 균일한 것, 즉 움직이는 천체는 일정한 시간 간격 동안에 일정한 원호를 움직이는 운동이었다. 물론 이와 같이 균일한 운동에 대한 개념은 타원궤도와 양립될 수 없는 것이었다. 그러나 케플러는 균일성에 대한 대안을 찾을 수 있었다. 이 균일성은 같은 시간을 같은 면적과 동일하게 놓는 것이었다. 태양이 타원의 한쪽 초점에 위치한다면 행성은 타원궤도를 도는 동안 타원궤도의 '같은 거리'를 진행하는 것이 아닌 '같은 면적'을 휩쓸고 지나간다는 것이다. 이러한 2가지 행성운동의 법칙(타원궤도의 법칙과 면적속도 일정의 법칙)을 출판한 뒤 10년 만인 1619년 케플러는 〈우주의 조화 Harmonice Mundi〉를 출판하여 태양과 행성 사이의 평균거리와 타원궤도를 도는 동안 걸리는 시간과의 관계를 나타낸 그의 3번째 법칙을 설명했다. 즉 거리의 3제곱은 행성의 공전주기의 제곱에 비례한다는 것이다. 흔히 3/2비의 법칙이라고 불리는 이 법칙을 발표하여 케플러는 행성운동을 완전히 이해하는 데 공헌했고 물리적인 우주에 존재하는 모든 물체에 영향을 끼치는 뉴턴의 만유인력을 설명하는 방법을 제시하는 데 큰 도움을 주었다 (→ 색인 : 케플러의 행성운동법칙). 후기생애 후원자였던 신성 로마 제국의 황제가 동생에 의해 잠시 동안 강제폐위되자 케플러는 제국의 수도에 있는 것보다 프라하로 가는 것이 좋으리라고 생각했다. 비록 새 황제가 그를 제국수학자로 다시 임명했지만 케플러는 오스트리아의 린츠로 옮겨갔다. 프라하에서 그의 첫 부인이 죽자 1613년 재혼했다. 그후 새 집에서 쓸 생필품을 구입할 때, 상인들이 포도주통에 든 액체의 양을 측정하는 조잡한 방법에 불만을 느꼈다. 그들이 사용하는 둥근 용기는 여러 가지 형태를 가지고 있었기 때문에, 케플러는 이러한 용기들의 용적을 결정하는 수학적 방법을 찾으려 했다. 고대의 탁월한 수학자였던 아르키메데스가 정립한 모형을 따르기는 했지만 아르키메데스도 생각 못했던 거의 100가지에 이르는 회전체(2차원면을 중심축을 중심으로 회전시킨 것)의 특성을 연구했다. 케플러는 일반적인 포도주통에서 시작해 아르키메데스의 연구결과를 확장했다. 그는 아르키메데스가 했던 것처럼 원뿔면에 의해 만들어진 한정된 표면만을 다루지는 않았다. 케플러는 린츠에서 지내는 동안 〈코페르니쿠스 천문학 개요 Epitome Astronomiae Copernicanae〉(1618~21)를 출판했다. 그는 이 책의 제목을 튀빙겐의 전임교수가 여러 차례에 걸쳐 개정·출판했던 매우 뛰어난 천문학 개론서의 제목을 따라 지었다. 매스트린이 기초적인 교과서에서는 코페르니쿠스의 이론을 빼는 것이 좋을 것이라고 생각하여 제목을 단지 천문학 개론이라고 지었던 반면에, 케플러는 '코페르니쿠스'라는 이름을 넣어 새로운 우주론에 대한 자신의 믿음을 강조했다. 1620년 케플러는 그의 어머니가 마녀로 몰려 재판을 받게 되었다는 소식을 듣고 어머니를 변호하여 그의 어머니는 고문과 화형을 면했다. 케플러는 린츠에서 그의 후원자였던 루돌프 2세를 기리는 뜻으로 그의 이름을 붙여 〈루돌핀 목록 Tabulae Rudolphinae〉을 출판하려 했다. 그러나 가톨릭에 복귀하도록 강요받는 한편 무거운 세금부담을 견디지 못한 농부들의 반란 때문에 수년간의 끊임없는 고찰과 계산의 결과인 이 책은 출판되지 못했으며 케플러는 또다른 정착지와 후원자를 구해야만 했다. 그리하여 케플러는 프라이들란트와 자강의 공작이자 30년전쟁 동안 자신의 사병들을 제국의 처분에 맡기기도 했던 알브레히트 폰 발렌슈타인 공작의 재정지원을 받기로 했다. 케플러는 실레지아의 자강으로 옮겨가서 자신의 인쇄기계를 소유하게 되었다. 〈루돌핀 목록〉은 케플러가 1628년 자강으로 가기 전에 독일의 울름에서 출판되었다(1627). 이 목록에는 행성의 위치를 계산하는 데 널리 쓰였던 수표(數表), 굴절률표(屈折率表), 로그 표, 그리고 티코 브라헤가 관측한 777개 별의 위치를 기초로 해서 만든 1,005개 별에 대한 개정판 목록 등이 수록되어 있다. 행성의 위치에 관한 수표에는 1세기 이상에 걸친 행성의 위치가 계산되어 있었다. 발렌슈타인은 믿을 만한 사람이 아니었기 때문에 케플러는 가족들을 자강에 남겨둔 채 그가 오스트리아에 예치해 놓은 약속어음의 이자를 찾으러 가던 중 제국의회가 열리고 있던 레겐스부르크에 머물렀다. 그는 그곳에서 병에 걸려 1630년 11월 15일 죽었다. 그의 무덤은 30년전쟁 때 손실되었다. 참고문헌 저서 Gesammelte Werke, 19 vol. : J. Kepler, W.von Dyck·M. Caspar(eds.), 1937-81 Opera Omnia, 8 vol. : J. Kepler, C. Frisch(ed), 1858-71(reprinted 1971) 연구서 근대 과학의 구조(과학사 총서 2) : 리차드 S. 웨스트팔, 김영식 외 역, 민음사, 1992 하늘의 과학사 : 나카야마 시게루, 김향 역, 가람기획, 1991 근대 과학의 출현과 종교 : R. 호이카스, 손봉호·김영식 공역, 정음사, 1987 과학혁명 - 근대과학의 출현과 그 배경(대우학술총서 자연과학 18) : 김영식, 민음사, 1984 과학의 역사 - 과학적인 사고의 발달에 관한 에세이 : 찰스 C. 길리스피, 이필렬 역, 종로서적, 1983 근대과학의 기원 - 1300년부터 1800년에 이르기까지 : H. 버터필드, 차하순 역, 탐구당, 1980 Kepler's Geometrical Cosmology : J. V. Field, University of Chicago Press, 1988 Kepler's Physical Astronomy (Studies in the History of Mathematics and Physical Sciences 13) : Bruce Stephenson, Springer-Verlag, 1987 Man and Nature in the Renaissance : Allen G. Debus, Cambridge University Press, 1978 An Account of the Astronomical Discoveries of Kepler : R. Small, 1804 (reprinted 1963) The Copernican Revolution：Planetary Astronomy in the Development of Western Thought : Thomas S. Kuhn, Harvard University Press, 1957 출전 : [브리태니커백과사전 CD GX], 한국브리태니커, 2004 |
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