천동설과 지동설에 관한 재미있는 문제

조금 늦게 궤도님 우주론 영상을 보고 얼마 전에 저희 학과 화장실 퀴즈가 생각나서 올려봅니다. 재미있게 생각해 볼 수 있을 것 같네요.

<해석>

1600년대에 코페르니쿠스, 갈릴레오, 핼리, 뉴턴 등에 의해 태양이 지구를 중심으로 도는 것이 아니라 ‘지구가 태양을 중심으로 돌고 있는 것’을 발견한 순간은 인류 지성사에서 가장 중요한 순간 중 하나로 여겨진다. 이 시기는 재미있게도 과학혁명 (revolution이 주변을 돌다 라는 뜻도 있다는 것을 이용한 언어유희)의 시기로 불린다.

그 후 1900년에서 1910년 사이에 아인슈타인과 동료들은 중력의 법칙이 모든 관성 좌표계에서 동일하게 적용된다는 것을 발견하였다. 이는 특수 상대성이론으로 불리며 우주의 여러 현상을 이해하는데에 커다란 역할을 했다. 특수 상대성이론은 좌표계의 중심을 어디에 잡든 모든 물리 법칙은 동일하게 적용될 수 있으며, 관측만이 상대적일 뿐이다. 즉 움직이는 물체를 관측했을 때  ‘나는 정지해 있고 물체가 움직이는 것’인지 ‘물체는 정지해 있지만 내가 움직이고 있어서 물체가 움직이는 것처럼 보이는 것’인지 구분을 할 수 없으나, 어떤 쪽을 선택하든 항상 동일한 물리 법칙을 적용할 수 있다. (여기는 좀 한글로 용어들을 설명하기 어려워서 임의로 썼습니다)

다시 말해, 좌표걔의 중심을 태양으로 잡든, 지구로 잡든, 목성으로 잡든, 아니면 심지어 당신의 얼굴로 잡든간에 물리 법칙들은 동일하게 적용될 수 있으며, 이에 따른 모든 운동을 정확하게 예측할 수 있다.

그렇다면,

(a) 지구를 중심으로 태양이 돌고 있는 것인지 태양을 중심으로 지구가 돌고 있는 것인지 알 수 없는 것이 아닐까?

(b) 물론 태양중심좌표계가 지구중심좌표계보다 천체의 움직임들을 계산하기 훨씬 간단하고 쉽다. 하지만 계산하기 쉽다고 해서 지구가 태양을 중심으로 돌고 있다고 말할 수 있을까? 코페르니쿠스는 지동설을 계산의 간편함을 이유로 강력하게 주장했는데, 이것이 코페르니쿠스가 생각한 것일까?

(c) 일반상대론의 관측가능량에 기초해서 이 질문에 답을 하는 것이 가능할까?