달이 밝게 빛나고 있는 것처럼 보이는 이유

달빛과 햇빛

밤하늘에 빛나는 달은 스스로 빛을 내고 있는 것은 아니고, 태양의 빛을 반사해 빛나고 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 달이 밝게 빛나는 것처럼 보이는 것은, 달의 표면이 거울처럼 매끄럽기 때문이라고 생각했습니다. 많은 학자들이 아리스토텔레스의 설을 믿고 있었지만, 이 설을 부정한 것이 이탈리아의 철학자 갈릴레오 갈릴레이입니다.

달이 밝게 빛나는 것처럼 보이는 이유

갈릴레오는 1632년 쓴 '두 우주 체계에 대한 대화'에서 3명의 학자를 등장시켜, 그들에게 달이 밝게 빛나는 이유를 토론시키고 있습니다. 등장하는 3명은 각각 아리스토텔레스파의 심플리치오, 코페르니쿠스파의 살비아티, 그리고 중립적인 입장의 사그레도입니다. 코페르니쿠스파의 살비아티는 두 사람을 밖으로 데리고 나가 햇빛이 닿는 밝은 벽을 보라고 말합니다. 그리고 이 벽에 거울을 걸면, 거울이 벽보다 밝게 보일지 어둡게 보일지를 물어봅니다. 아리스토텔레스파의 생각에서는 표면이 매끄러운 거울은 빛을 잘 반사하기 때문에 거울은 벽보다 밝게 보여야 하지만, 실제로는 거울은 벽의 표면보다 어둡게 보였습니다. 이 모순된 결과에 아리스토텔레스파의 심플리치오는 '이 각도에서 보면 거울은 어둡지만 거울이 빛을 반사하는 방향의 장소에 서면 거울은 벽보다 밝게 보인다'고 말하며, 거울이 입사광에 대해 일정한 방향으로 빛을 반사하는 '빛의 반사의 법칙'에 대해 설명합니다. 또한 심플리치오는 거울이 평면이 아닌 구면이면 모든 방향으로 빛을 반사한다고 말합니다. 그리고 구체인 달은 태양광선을 모든 방향으로 반사하고 있기 때문에, 지구상의 어느 장소에서도 밝게 빛나 보인다며, 볼록 거울에 의한 빛의 반사의 설명을 합니다. 심플리치오의 주장에 대해 중립자인 사그레도는 '물체가 빛나는 것처럼 보이기 위해서는 물체가 빛을 반사할 뿐만 아니라, 그 반사광이 우리의 눈에 닿는 것이 필요하다'고 말했습니다. 그리고 '거울이 구면이면 반사광 중 극히 일부만이 우리의 눈에 닿을 뿐이다'라고 반론하였습니다. 확실히 볼록 거울은 모든 방향으로 빛을 반사하지만, 모든 방향에서 전체가 밝게 보이는 것은 아닙니다. 볼록 거울 표면의 일부가 빛나는 점처럼 보이는 것만으로 반사광이 눈에 닿지 않는 부분은 어두워야합니다. 코페르니쿠스파의 살비아티는 실제로 볼록 거울을 벽에 걸쳐 실험을 하였는데, 어느 방향에서 봐도 벽이 볼록 거울보다 밝게 보이고, 볼록 거울이 어디에 있는지 모르는 것을 확인합니다. 그리고 만약 달이 구면이라면, 달 전체가 빛나 보이지 않을 것이고, 달은 마치 빛나는 점처럼 보일 것이라고 말했습니다. 달의 표면은 거울처럼 매끄럽지 않고, 벽처럼 울퉁불퉁하다는 결론을 내립니다. 즉, 달은 정반사가 아니라 난반사하고 있기 때문에 밝게 보인다는 것을 밝혔습니다. 어두운 방에서 거울과 흰 종이를 바닥에 놓고 바로 위에서 펜 라이트로 비추어 보십시오. 바로 옆에서 보면서 실험하면 거울이 보이는 방식은 변하지 않지만, 흰 종이는 빛이 닿는 곳 전체가 밝아집니다. 이것은 거울이 빛을 바로 위쪽에만 반사하는 반면, 흰 종이는 빛을 여러 방향으로 반사하기 때문입니다. 이와 같이 빛이 물체의 표면에서 난반사하는 덕분에 우리는 물체의 모습과 색을 다양한 방향에서 볼 수 있습니다. 갈릴레오는 이것을 설명하여 달의 표면이 거울처럼 매끄럽지 않고 울퉁불퉁하다는 것을 밝혔습니다.

갈릴레오의 달 표면 관찰

1604년에 독일의 천문학자 요하네스 케플러에 의해 케플러 초신성(SN1604)이 발견되면서, 갈릴레오의 천체 관찰에 대한 관심이 증폭된 것 같습니다. 갈릴레오는 1597년에 케플러에게 코페르니쿠스의 지동설을 지지하는 편지를 보내고 있기 때문에, 케플러의 초신성 발견에 자극된 것이 아닐까 생각됩니다. 하지만 당시에는 천체를 관찰할 수 있는 망원경은 아직 없었습니다. 네덜란드의 안경 장인의 한스 리퍼세이가 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합한 네덜란드식 망원경을 발명한 것은 1608년이었습니다. 갈릴레오는 독자적으로 이 네덜란드식 망원경을 개량하여 천체의 관찰을 실시했습니다. 갈릴레오는 달의 표면의 관찰도 실시해, 1610년에 쓴 '성계의 보고'에서 달은 아리스토텔레스가 주장한 것 처럼 표면이 거울과 같이 매끄러운 구체가 아니고, 지구의 표면과 같이 요철이 있다는 것을 기록하고 있습니다. 이 관찰결과를 통해 앞서 서술한 대화에서 세 사람에게 '달이 밝게 빛나는 것처럼 보이는 이유'를 논의시킨 것 입니다.