갈릴레오 갈릴레이는 현대 물리학의 창시자로 과학책에서 절대 빠지지 않는 인물이죠. 세계적인 천문학자이자 물리학자인 그가 위대한 업적을 이룬 곳이 바로 이탈리아 피사입니다. 그의 발자취를 따라 여행해 보는 건 어떨까요?
1. 토스카나 출신의 갈릴레이
갈릴레오 갈릴레이는 성과 이름이 굉장히 비슷하죠. 그는 피렌체의 시민계급 출신인데, 토스카나 지방에는 맏아들이 성을 겹쳐 쓰는 풍습이 있었기 때문입니다. 집안의 장남이었던 갈릴레이는 1579년 피렌체 교외의 발롬브로사 수도원 부속학교에서 초등교육을 마치고, 아버지의 바람대로 1581년 피사 대학 의학부에 입학합니다.
2. 진자의 등시성 이론
갈릴레이는 어느날 우연히 성당에 걸려있는 샹들리에가 흔들리는 것을 보고 진자의 등시성을 발견하죠. 피사 대성당에서 미사를 보던 중, 청동 샹들리에가 좌우로 흔들리면서 촛불이 깜빡이는 모습을 보고 자신의 맥박을 시계 대신 사용해 샹들리에가 한 번 왕복하는 데 걸리는 시간을 재보았고, 샹들리에가 흔들리는 진폭은 변해도 주기는 변함이 없다는 걸 알아차렸다고 해요. 이렇게 그를 현대 물리학의 창시자로 만든 그의 중요한 업적 중 하나인 ‘진자의 등시성 이론’을 생각해낸 것이죠.
3. 수학과 과학에 빠진 의대생
해부학 실습보다는 과학과 수학에 더욱 흥미를 느낀 갈릴레이는 결국 아버지를 설득해 자연철학(오늘날의 과학)과 수학을 공부하게 되었어요. 아버지의 친구이자 토스카나 궁정 수학자인 오스틸리오 리치에게 수학과 과학을 배우면서 대단한 흥미를 느꼈죠.
이때 습작으로 쓴 논문이 인정받아 1592년 피사 대학의 수학 강사가 되었고, 같은 해 베네치아의 파도바 대학에 가게 됩니다. 베네치아로 간 갈릴레이는 유클리드 기하학과 천동설을 주장한 프톨레마이오스의 천문학을 가르치고, 가정교사 노릇을 하며 리치에게 배운 응용수학을 연구하고 가르쳤어요. 그리고 <간단한 군사기술 입문>, <천구론 또는 우주지>, <축성론>, <기계학>을 저술했죠.
4. 자유 낙하 운동
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갈릴레오 갈릴레이 하면 떠오르는 또 하나의 업적은 바로 ‘자유 낙하 운동’이죠? 무거운 공과 가벼운 공이 동시에 떨어진다는 ‘자유 낙하 운동’을 발견해 무거운 공이 먼저 떨어질 거라는 아리스토텔레스의 주장을 뒤엎고, 또 ‘관성의 법칙’으로 물체가 본래 멈추는 성질이 있다는 아리스토텔레스의 이론에 반박하고, 아리스토텔레스는 공기가 없는 상태인 ‘진공’이 세상에 없다고 보았지만, 갈릴레이는 진공을 염두에 두고 실험을 했다고 잘 알려져 있습니다.
이런 갈릴레이가 물체가 자유낙하를 하는 시간은 질량에 의존하지 않는다는 법칙을 인증하기 위해 피사의 사탑 꼭대기에서 무게가 다른 두 개의 공을 동시에 떨어뜨려 동시에 땅에 닿는 것을 보여주었다는 일화가 전해 내려오는데, 사실 이 실험은 갈릴레오 갈릴레이가 아닌 네덜란드의 수학자이자 물리학자인 시몬 스테빈이 한 것이라고 해요. 사탑의 실험을 실제로 누가 했든, 두 사람 모두 훌륭한 물리학자임은 분명합니다.
5. 지동설을 뒷받침하는 관성의 법칙
갈릴레이가 발견한 ‘관성 운동 법칙’이 지구를 포함한 행성들이 태양 주위를 돈다는 지동설을 뒷받침한다는 사실 알고 있었나요? 움직이는 물체가 계속해서 같은 빠르기로 움직이려고 하는 성질을 ‘관성’이라고 합니다. 이 관성을 모르면 지구가 왜 멈추지 않고 계속 도는지 설명하기 힘들어지고, 행성이 왜 태양 주위를 도는지도 설명하기 어려워져요.
이런 갈릴레이의 ‘관성의 법칙’ 발견은 뉴턴으로 이어져 고전 역학을 탄생시켰습니다. 그 뒤 ‘지구가 돈다’는 지동설은 절대 의심할 수 없는 사실이 되었죠.
6. 천체 관측을 통한 지동설 주장
갈릴레이가 살던 1600년대 초 로마 가톨릭 교회는 모든 별과 행성이 지구 주위를 돈다는 ‘천동설’을 가르쳤습니다. 그리고 코페르니쿠스는 지구를 포함한 행성들이 태양 주위를 돈다고 주장했는데 이것을 ‘지동설’이라고 하죠.
지동설을 믿었던 갈릴레이는 직접 만든 망원경으로 우주를 관찰해 지동설을 입증하고 이를 알리려 노력했는데, 지동설을 확립하기 위해 쓴 저서 《프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 2대 세계체계에 관한 대화》는 교황청에 의해 금서로 지정되고 이단행위로 재판까지 받았어요. 당시 교회는 갈릴레이에게 자신의 생각이 잘못됐다고 공개적으로 인정하고, 다시는 지동설을 주장하지 말라고 했죠. 재판장에서는 이에 따르는 척 했지만, 이후로도 갈릴레이는 연구를 멈추지 않았고 이론을 계속해서 발표했어요.
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피사를 여행한다면 과거 학자들이 자유 낙하 운동을 발견한 피사의 사탑과 진자의 등시성을 발견한 대성당을 둘러보세요. 비록 오늘날 성당에 걸려 있는 샹들리에는 과거 사용하던 샹들리에는 아니지만 갈릴레오가 성당에 앉아 있는 모습을 상상해보는 것도 좋을 것 같아요
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