위대한 관측자 티코와 위대한 수학자 케플러의 만남
기원전 가장 유명했던 천문학자를 들라면 히파르코스와 프톨레마이오스를 꼽을 수 있다. 이 두 사람은 고대 그리스 이전부터 내려오던 각종 천문학 지식을 집대성하고 자신들이 관측한 기록을 모아 <알마게스트>라는 위대한 책을 남겼다.

그러나 그 이후 약 천여 년에 걸쳐 다른 과학과 마찬가지로 천문학은 정체된 상태로 흘러왔다. 잘못된 이론인 천동설에 틀어박혀 새로운 생각을 하지 못했다. 천문학의 발전은 코페르니쿠스를 지나면서 새로운 전기가 확립된다. 코페르니쿠스의 지동설이 뿌리를 내리는 과정에서 그 역할을 담당했던 두 천문학자가 바로 티코와 케플러다.

맨눈으로 하늘을 본 사람 중 가장 유명한 관측자가 티코 브라헤다. 그는 인류 역사상 최고의 육안 관측 천문학자라고 불린다. 그의 관측 기록은 매우 정확했다. 티코가 관측한 일 년의 길이는 불과 1초의 오차밖에 없었다. 그는 새로운 항성목록을 만들었고 대기권에서의 빛의 굴절률을 새로 측정했다. 뿐만 아니라 훗날 케플러에게 큰 도움을 주었던 행성 위치 관측을 오랜 기간에 걸쳐 수행했다.

티코의 이력에서 알 수 있듯이 그는 천재였으며 매우 괴짜이기도 했다. 귀족으로 태어났던 때문인지 티코의 인간성은 엉망이었다. 그는 당대 최고의 천문학자로서 자신에 대한 자부심이 대단했다. 그의 천문대에는 역사상 가장 위대한 천문학자 8명의 벽화가 그려져 있었다. 그는 벽화의 마지막 인물로 바로 자기 자신을 선택했다. 그만큼 천문학에 대해 스스로를 높이 평가하고 있었다. 열정적으로 관측하고 기록을 남겼지만 계산과 분석을 싫어했던 그는 자신이 관측한 것을 활용하지 못했다. 그래서 케플러의 몫이 남게 되었다.

1571년, 독일에서 태어난 또 한 명의 천재 천문학자 요하네스 케플러. 하지만 그의 환경은 티코와 정반대였다. 매우 가난하고 불우했다. 어려운 환경 속에서 천연두에 걸리게 되었고, 이것으로 시력을 잃은 그는 천문학자로서 치명적인 약점을 갖게 되었다. 관측 천문학자가 될 수 없었던 그 이유가 그에게 커다란 행운이었을지도 모른다. 그런 눈 때문에 오히려 엄청난 업적을 이룩할 수 있었다.
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천문학을 좋아했지만 눈이 나쁜 케플러는 관측을 할 수 없었다. 반면 수학을 매우 좋아한 그는 과거 다른 사람들의 기록을 분석하며 천문학을 연구했다. 숫자에 매료되어 있었던 케플러는 도형의 기하학처럼 우주의 조화를 찾으려고 노력했다. 케플러는 태양에서 행성까지의 거리를 구하고 거리와 공전속도 사이에서 기하학적 사실을 증명하려고 했다.
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마침내 1600년 2월, 당시 28세였던 케플러는 53세였던 티코의 제자가 되었다. 위대한 관측자와 위대한 수학자의 만남은 분명 환상적인 콤비가 될 수도 있었을 것이다. 하지만 그렇지 못했다. 두 사람은 환경이 너무 달랐다. 티코는 부유한 귀족 출신이었지만, 케플러는 가난한 사생아였다. 티코는 대단히 좋은 눈을 가지고 있었지만, 케플러는 눈이 나빴다. 티코는 계산을 싫어했지만 케플러는 계산에 천재적인 재능이 있었다. 또 티코는 유별난 성격을 갖고 있었지만, 케플러는 온순하고 내성적인 성격이었다. 게다가 티코는 지구중심설을 믿고 있었고, 케플러는 태양중심설을 믿고 있었다. 티코는 자신의 기록과 케플러의 재능을 이용해 지구중심설을 확고하게 다지려 했다. 반면 케플러는 티코의 자료를 활용해 태양중심설을 제대로 세우려고 했다. 이러한 환경과 성격적 차이로 두 사람은 사사건건 부딪히게 되었다.

그러나 운명의 신은 케플러의 손을 들어주었다. 두 사람이 만난 지 불과 일 년 만에 티코가 갑작스런 병으로 죽게 된다. 죽음을 맞이하는 순간에 티코는 케플러가 자신의 측근들 중 가장 뛰어난 수학자이며 자신의 관측 자료를 가장 잘 사용할 사람이라는 사실을 정확히 꿰뚫어보고 있었다. 그는 모든 관측 기록 관리 책임을 케플러에게 넘기는 유언을 남겼다. 아마 이 사건이야말로 근대 천문학을 태동시킨 운명적 사건이었을 것이다. 그 바람에 티코가 남긴 방대한 자료가 모두 케플러의 손에 들어오게 되었다. 이것은 티코에게는 불행한 일이었지만 과학 발전 측면에서 본다면 행운이었다.

티코가 죽은 후 케플러는 티코의 자료들을 이용해 행성 운동을 연구하기 시작했다. 그가 특히 관심을 가졌던 행성의 운동은 바로 화성이었다. 화성은 지구에 비해 원에서 많이 어긋난 타원 궤도를 가진다. 어떤 해에는 화성은 매우 가까워지고 어떤 해에는 보다 멀어진다. 그 때문에 단순히 원으로 계산한 화성의 위치와 실제 관측된 위치는 많은 오차가 발생한다.

티코의 정밀한 관측 기록을 검토하면서 케플러는 새로운 과제를 만나게 되었다. 바로 ‘행성은 원으로 운동해야만 하는가?’라는 것이었다. 당시 과학자들은 행성이 원을 그리며 운동해야 한다고 생각했다. 원이 가장 완벽한 도형이라는 생각 때문이었다. 이 생각은 고대로부터 어느 누구도 부정하지 못하고 있던 사상이었다. 초기에는 케플러도 원 이외의 다른 것을 생각하지 못했다.

이 문제를 풀기 위해 케플러는 무려 8년 동안 70번이나 다시 계산을 되풀이하곤 했다. 보통 사람이라면 흉내내기도 힘든 정말 끈기 있는 연구였다. 위대한 사람들의 가장 큰 공통점이라면 바로 이러한 끈기를 들 수 있지 않을까. 티코의 기록을 굳게 믿었던 케플러는 마침내 획기적인 발상의 전환을 한다. 즉 원을 과감히 버리고 행성은 원이 아닌 다른 모습으로 운동한다는 생각의 발전을 하게 된 것이다.

마침내 그는 화성이 태양에서 멀어지면 천천히 돌고 가까워지면 빨리 돌 것이라는 생각을 하게 된다. 이것이 바로 면적속도 일정의 법칙인 케플러 제2법칙이다. 이 법칙의 발견으로 행성궤도 문제는 깨끗이 해결되기 시작했다. 이 법칙은 행성의 궤도는 반드시 타원이어야 한다는 사실로 귀결되었다.

행성은 타원 궤도로 운동한다. 이것이 바로 케플러의 위대한 업적인 행성운동법칙인 케플러 제1법칙이다.
그로부터 10년 뒤, 케플러는 마지막 제3법칙인 조화의 법칙을 발견했다. 이미 케플러가 오래전부터 고민하던 문제인 행성과 태양 사이의 거리에서 나타나야 할 어떤 신비를 해결한 것이 바로 이 법칙이다. 조화의 법칙은 행성과 태양 간의 거리와 공전 주기는 특정한 관련성을 가진다는 것이었다. 케플러는 관측 기록을 토대로 태양에서 행성까지의 평균 거리의 세제곱과 행성 주기의 제곱이 서로 비례한다는 사실을 깨달았던 것이다.

케플러의 법칙은 행성 운동에 대한 최초의 과학적인 이론이었다. 하지만 아쉽게도 훗날 뉴턴의 만유인력의 법칙으로 발전된 후에야 수학을 기반으로 천체의 운행을 풀어낸 케플러의 가치에 사람들이 주목하게 되었다.

위대한 발견은 한 사람의 힘만으로 이루어지지 않는다. 그 속에는 많은 사람들의 땀이 밑바탕이 되어 있는 경우가 많다. 근대 천문학의 기초를 세웠던 요하네스 케플러도 티코라는 스승이 없었다면 아무것도 할 수 없었을 것이다. 코페르니쿠스에서 티코를 거쳐 케플러에 이르기까지 이렇게 과학은 발전해 나가고 있었다.