📖 요하네스 케플러 이야기

1. 약한 아이, 별을 본 아이

1571년 12월 27일, 독일의 작은 도시 바일 데어 슈타트에서 한 아기가 칠삭둥이로 태어났어요. 이름은 요하네스 케플러. 어머니는 약초를 잘 다루는 사람이었어요.

요하네스는 세 살 때 천연두에 걸려서 시력이 크게 나빠졌어요. 손에는 평생 후유증이 남았어요. 사람들은 이 아이가 큰일을 못할 거라고 생각했지요.

그런데 다섯 살이 된 어느 날, 어머니가 그를 언덕 위로 데려가서 1577년 혜성을 보여줬어요. 시력이 나쁜 아이 눈에도 그 빛은 분명했어요. 아홉 살 때는 달의 일식을 봤어요. 그날부터 그는 결심했어요.

"내가 잘 안 보여도, 하늘은 분명히 거기에 있어. 내가 그것을 수학으로 보면 되잖아."
1577 혜성 어머니와 5살 요하네스
1577년 — 혜성을 본 다섯 살 케플러

2. 신학생에서 수학 선생님으로

요하네스는 가난했지만 장학생 시험에 합격해서 튀빙겐 대학에 들어갔어요. 원래는 목사가 될 생각이었지요.

그런데 거기서 한 선생님(미하엘 매스틀린)을 만나요. 그 선생님은 비밀리에 코페르니쿠스의 새 이론 — "지구가 태양을 돈다" — 을 가르치고 있었어요. 당시는 아직 "지구가 우주의 중심"이라고 믿던 시대. 위험한 생각이었어요.

그러나 요하네스는 단번에 빠져들었어요.

"태양 중심이 더 아름답다. 더 단순하다. 신은 단순함을 사랑하실 거야."

대학을 졸업할 즈음, 그는 목사가 되는 길을 포기하고 오스트리아 그라츠의 한 학교에 수학 선생님으로 가게 돼요. 1594년, 23살이었어요.

학생들은 거의 오지 않았고(그라츠는 작은 도시였어요), 월급도 적었지만, 그는 매일 밤 별을 바라보며 한 가지 질문에 매달렸어요.

"왜 행성은 6개일까? 그리고 왜 그 거리는 그 비율일까?"

당시 사람들은 행성이 6개(수성·금성·지구·화성·목성·토성)라고 알았어요. 천왕성·해왕성은 아직 발견 전이었지요.

3. 1595년 7월 19일 — 칠판에서의 발견

그날, 그는 학생들에게 칠판에 어떤 도형을 그려주고 있었어요. 그러다가 갑자기 멈췄어요.

칠판에는 큰 원 안에 작은 원이 있고, 두 원 사이에 정삼각형이 그려져 있었어요. 보통 사람이라면 그냥 흔한 그림이지요. 하지만 케플러의 머릿속에서는 번개가 쳤어요.

"잠깐... 2차원에선 정다각형으로 원과 원 사이를 끼워 넣을 수 있잖아. 그럼 3차원에서는? 정다면체로 구와 구 사이를 끼울 수 있지 않을까?"

그가 학교에서 배운 사실은 이거였어요. 정다면체는 정확히 5개뿐이다.

그리고 행성은 6개. 행성과 행성 사이의 간격은 5개. 5! 정다면체와 같은 5!

토성 (정육면체 끼워넣음) 목성 (정사면체) 화성 (정십이면체) 지구 (정이십면체) 금성 (정팔면체) 수성 케플러의 우주 모델 (1596) — 5정다면체로 6행성
「Mysterium Cosmographicum (우주의 신비)」 — 25살 케플러의 모델

4. 틀렸지만 위대한 — 케플러 3법칙

그런데 사실... 이 모델은 틀렸어요.

행성들의 실제 궤도는 정다면체 비율로 정렬되지 않았어요. 천문학자 티코 브라헤(덴마크)가 평생 모은 가장 정밀한 관측 자료가 그것을 보여줬지요. 케플러는 1600년에 티코의 조수가 되었고, 1601년 티코가 죽자 그 자료를 모두 물려받았어요. 그리고 8년을 화성 궤도 하나만 계산했어요.

케플러는 정다면체 가설을 끝까지 사랑했지만, 데이터 앞에 정직했어요. 그는 자기 가설을 버리고 새로운 사실을 발견했어요.

케플러의 3법칙 (1609, 1619)
① 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원으로 돈다 (원이 아니다!).
② 같은 시간에 행성이 쓸고 가는 면적은 같다.
③ 공전 주기의 제곱 ∝ 평균 거리의 세제곱.

이 3법칙이 70년 뒤 뉴턴의 만유인력 법칙의 기초가 돼요. 즉 현대 물리학의 출발점.

정다면체 가설은 틀렸지만, 그 가설을 사랑하다가 실제 우주의 법칙을 만났어요.
"틀린 가설도 위대한 시작이 될 수 있다."
💛 수학을 공부하다가 틀려도 괜찮아요. 케플러도 25년을 틀린 가설을 사랑했답니다. 중요한 건 틀렸을 때 데이터 앞에 정직한 것이에요.

5. 와인 술통과 회전체

1612년, 케플러는 두 번째 결혼식을 했어요. 술통을 사다가 거래 상인이 자기 식으로 부피를 재는 걸 보고 놀랐죠.

"이 사람이 술통 부피를 잰다고? 술통은 곡면인데? 어떻게?"

케플러는 술통의 부피를 정확히 잴 방법을 고민했어요. 술통은 가운데가 부른 회전체예요. 평면 도형을 회전시켜 만든 입체.

그는 술통을 무한히 많은 얇은 단면으로 자르고, 각 단면(원)의 넓이를 모두 더하면 부피가 된다고 봤어요. 1615년, 「Stereometria Doliorum Vinariorum (와인 술통의 입체기하학)」을 출판했어요.

이게 무엇이었냐 하면... 현대 적분의 시작이었어요. 50년 후 카발리에리가 발전시키고, 다시 50년 후 뉴턴과 라이프니츠가 미적분으로 완성하지요.

회전체: 평면도형을 한 직선 둘레로 1회전 시켜 만든 입체.
직사각형 → 원기둥
직각삼각형 → 원뿔
사다리꼴 → 원뿔대
반원 → 구
회전축 ← 무수히 많은 단면(원) 적분 술통 = 회전체 평면도형 한 직선 둘레로 1회전 → 회전체
케플러 술통 부피 — 무수한 원 단면의 합

6. 어머니의 마녀 재판

1615년, 케플러에게 끔찍한 소식이 와요. 어머니 카타리나가 마녀로 고발됐어요.

당시 독일은 30년 전쟁이 막 시작되던 혼란기. 마을마다 누군가 죽으면 "마녀 짓이다!"라며 약초를 다룬 여자들을 잡아갔어요. 카타리나는 약초를 잘 다뤘고, 성격도 강했어요. 그래서 동네 사람 한 명이 그녀를 고발했지요.

마녀 재판에서 유죄가 나면 고문 후 화형이었어요.

케플러는 황실 수학자였지만, 모든 일을 멈추고 어머니를 변호하기 시작했어요. 6년이 걸렸어요. 1620년 어머니가 체포되어 14개월 동안 감옥에 있었고, 1621년 마침내 무죄 판결을 받아내요. 그러나 어머니는 풀려난 지 6개월 만에 돌아가시고 말아요.

이 6년 동안 케플러는 어머니 변호 서류를 쓰면서도 천문학을 멈추지 않았어요. 1619년 출판된 「Harmonices Mundi (세계의 화음)」에는 그가 발견한 케플러 3법칙과 별 모양 정다면체(케플러-푸앵소 다면체)가 실려 있어요.

어머니가 감옥에 있는 동안에도 그는 별을 그렸어요.

"사람들이 가장 어두운 시간에도, 별은 빛나고 있어요."
💜 Unit 09에서 만난 가우스는 어머니가 자기 천재성을 처음 알아본 사람이었죠. 케플러는 어머니를 죽음에서 구한 천재였어요. 두 사람 모두 어머니와 깊은 인연이 있었어요.

7. 행성의 음악, 그리고 마지막

케플러는 별을 본 게 아니에요. 별의 노래를 들었어요.

그는 각 행성이 태양 둘레를 도는 속도가 미세하게 다른 걸 발견하고, 그 차이를 음표로 적었어요. 토성은 낮은 음. 수성은 빠르고 높은 음. 지구는 "미파미파"... 모든 행성이 모여 합창을 한다고 그는 믿었어요. 이게 「Harmonices Mundi」의 핵심이에요.

말년의 케플러는 30년 전쟁의 한가운데에서 가족과 함께 떠돌아 다녔어요. 황실에서 약속한 월급은 한 번도 제대로 받지 못했어요. 1630년 11월, 그는 못 받은 월급을 청구하러 레겐스부르크까지 가다가 길에서 열병에 걸렸고, 그곳에서 59세에 숨을 거두었어요.

그의 묘비명은 그가 직접 적은 거예요:

"나는 하늘을 측정했네. 이제 땅의 그늘을 측정하노라.
내 영혼은 하늘의 것이었지만, 내 몸은 땅의 것이로다.
"
— Mensus eram coelos, nunc terrae metior umbras...

그의 무덤은 30년 전쟁 중에 파괴되어 지금은 정확한 위치를 알 수 없어요. 그러나 그의 책들은 모두 살아남았답니다.

잡학

8. 글쓰기 미션 ✏️

  1. 정다면체 발견의 순간
    케플러가 칠판 앞에서 정다면체와 행성의 연결을 떠올린 그 순간을 상상해서 써보세요. 무엇을 보았고, 무엇을 느꼈을까요? (300~500자)
  2. 어머니에게 보내는 편지
    어머니가 감옥에 있을 때, 케플러가 별을 보면서 어머니에게 쓴 편지를 상상해서 써보세요. (300~500자)
  3. 너에게 5개 정다면체가 주어진다면
    세상이 5가지 모양으로 만들어졌다고 상상해보세요. 너의 일상에서 5가지 정다면체는 어떤 의미일까요? (자유 형식)

고른 미션:

나의 글:

여기에 직접 써보세요.
💙 다음 단원(Unit 12)에서는 입체도형의 겉넓이와 부피를 만나요. 케플러가 술통을 잰 그 정신을, 카발리에리가 이어받아요.