과학의 구조

과학의 목표는 어떠한 자연 속에서의 공통점과 규칙을 찾아내어 아름아움을 보여주는데 있습니다.아주 산뜻한 변화를 보여준다던지 새로운 어떤 미래를 좇아갈 수 있다던지… 그래서 이러한 과학의 목표는 새로운 현상을 알아내는 역할을 하기도 합니다.  아니면 공통점과 규칙을 알아가는 즐거움을 좇기 위한 순수하게 쾌락적인 면의 목적 자체를 목표로 합니다.

과학의 기본적인 패턴은 두 가지가 있습니다. 누구나 다 아는 이론과 실험이 그 두 가지입니다. 커다란 네 개의 바퀴가 있는 자동차에 비유한다면 앞 두 바퀴는 과학이 발전해나갈 방향을 제시해주는 이론이며, 뒷 두 바퀴는 과학이 발전하는 추진력을 제공해주는 실험입니다. 이 둘은 과학의 성장 원동력입니다. 그래서 두 가지를 알면 과학의 구조를 대략적으로 알 수 있을 것입니다.

1. 과학의 기본적 패턴 첫 번째 : 실험

실험(實驗)은 다시 시험(試驗)[footnote]사물의 성질·능력 등을 실지로 경험하여 봄[/footnote]과 관찰(觀察)로 나눌 수 있습니다.

뒷바퀴의 한 개는 시험이고, 다른 한 개는 관찰입니다.

실험의 학문은 고온 초전도체를 예로 들 수 있습니다. 고온 초전도체의 경우는 이론적인 배경이 전무한 상황에서 100% 실험만으로 지금까지 발전해 오고 있습니다. (고온 초전도체에 대한 이론적 진전에 도움이 될만한 시험적 진전이 있었다는 소식이 있었습니다만 그 이후 소식이 없네요.)

관찰의 학문은 천문학을 예로 들 수 있습니다. 천문학은 가장 가까우며 우리에게 영향력이 강한 천체인 달조차도 시험의 대상으로 삼기는 힘듧니다.

100% 이론적 학문으로는 상대성이론을 예로 들 수 있습니다. 이 이론은 아인쉬타인이라는 한 걸출한 천재가 나타나 순수한 사고실험만으로 이 세상에 등장하게 됐습니다. 이 이론은 참 신기하게도 거시적 자연현상을 잘 설명하고 있으며, 아인쉬타인이 발표한 상대성이론과 별 연관성이 없었던 초기의 논문에서 언급한 E=mc² 이라는 공식은 상대성이론의 근본을 받혀주는 이론적인 토대가 됐습니다.

더더군다나 현재는 100% 관찰의 학문인 천문학과 100% 이론적 학문인 상대성이론을 같이 고려하여 천문학에서 중력렌즈 효과를 직접 관찰하고 있습니다. 중력렌즈 효과는 먼 별의 주변을 돌고 있는 지구형 행성을 찾는데도 이용되고 있습니다.

만약 이론인 상대성이론이 아직까지 연구되지 않았다면 중력렌즈 효과의 관찰을 모르고 지나첬거나 알았다면 천문학의 미스터리 중 하나로 남았을 것입니다. 반면 천문학이 중력렌즈 효과를 관찰할 정도로 발전하지 못했다면 아직도 상대성이론은 이론적 허구일 뿐 실질적 물리법칙으로 못 인정받았을 것입니다. (위에서도 말했지만 상대성이론은 거시적인(규모가 큰) 세상에서만 그 결과를 알 수 있기 때문에 천문학이 아니면 그 결과를 쉽게 관찰 할 수 없습니다.) 물론 천문학을 동원하지 않고도 확인 가능한 일부 현상들이 있기는 하지만 지금처럼 확고부동한 위치의 이론으로 자리잡지는 힘들었을 것입니다.

2. 과학의 기본적 패턴 두 번째 : 이론

과학의 두 번째 패턴은 수학적 사고와 사색과 사유입니다. 이 두 요소는 이론을 구성하는 요소인데, 각기 한 쪽의 앞바퀴입니다.

우선 과학이 발전하기 위해서는 수학적 사고가 매우 중요합니다. 모든 것들이 발전하기 위해서는 미묘한 공통점을 발견하고 가능/불가능을 알 수 있어야 하는데 이러한 판단을 수학적 사고가 지원해 주고 있기 때문입니다. 하지만 수학적 사고만으로는 공통점과 규칙을 찾을 수 없는 경우가 종종 나타나는데, 실험과 관찰을 통해서 발견한 공통점과 규칙들을 재해석 하는데 수학적 사고가 필요하지만, 기존에 알고 있던 결과에서 벗어나는 공통점과 규칙이 나타났을 때에는 더이상 수학적 사고가 적용되지 않기 때문입니다. 그럴 때마다 필요한 것이 사색과 사유입니다. 사색과 사유는 자연 속에서 우리가 무엇에 집중해야 하는 것인지 판단하게 해 주며, 과학이 실생활에 적용될 수 있도록 안내하는 역할을 하기도 합니다. 하지만 사색과 사유는 일반적인 사람들이 과학을 재미있어 하면서도 접근하기를 꺼리게 만드는 요인으로 작용합니다.

중요한 것은 과학이 발전하면서 축적되는 지식의 양일 것 같습니다. 수학적 사고는 사실상 거의 축적되지 않습니다. 예를 들어 보자면…. 초기 미적분학을 뉴턴이 만들었을 때 뉴턴이 계산했던 것들은 기초 중의 기초여서 누구나 과학을 공부하는 사람이라면 처음에 공부하게 됩니다. 하지만 뉴턴 이후의 과학자들이 수많은 시행착오를 거치면서 “이것은 아니다.”라고 결론을 냈던 수많은 과학적 과정들은 지금은 사색과 사유의 결론으로 축적되어 남아있지만, 수학적 과정은 남아있지 않습니다. 그저 당연한 것 정도로 치부될 뿐입니다. (만약 수학적 사고 과정까지 축적된다면 현대의 과학자들은 선배들의 수학적 계산을 복습하는데만 해도 한평생을 보내야 할 것입니다.)

결국 일반인에게 1차적으로 과학으로의 접근을 막는 것은 수학적 사고이지만, 실질적으로 과학을 공부하는 이들에게 과학으로의 접근을 막는 것은 사색과 사유라고 할 수 있습니다. 그래서 수학 실력이 부족한 사람들이라 해도 사색과 사유의 능력이 뛰어난 사람은 과학발전에 충분히 이바지 할 수 있습니다. 반면 수학만을 잘 하는 사람들은 과학발전에 이바지할 수 있는 여지가 크지 않습니다. (수학분야에서만 국한한다면 충분히 이바지할 수 있겠지요.)

3. 패턴이 작용되는 방법

위에서 패턴이 두 가지가 존재한다고 이야기했었습니다. 그 첫 번째가 이론과 시험이고, 두 번째가 수학적 사고와 사색과 사유입니다. 이 패턴들은 상호 교류 속에서 과학을 지지하고, 이끌어가는데 중요한 역할을 하고 있습니다.

이론과 실험의 패턴이 작용하는 방법은 매우 간단합니다. 어떠한 경험이 축적되면 그 경험들 사이의 연관성을 찾게 되고(데이터마이닝), 이것이 이론이 됩니다.

이론은 고대부터 중세에 이르기까지(동서양을 막론하고) 실험을 뒤쫒아다니면서 과학을 발전시키는 역할을 해왔습니다. 경제적으로 안정된 사람들, 광적으로 자신의 모든 것을 희생하는 사람들에게는 실험은 일종의 유희였고, 더 많은 것을 이야기해 주고 재미를 느끼기 위한 노력의 과정에서 이론이 부수적으로 개입됐을 뿐입니다. 하지만 부수적으로 개입되던 이론이 가끔 전면에 부각되는 경우가 있었는데 이는 전반적인 통찰이 실험없이 진행되어야 할 필요성이 있어야 하는 때입니다. 그 예로는 데모크리토스의 원자론, 에라토스테네스의 지구 크기 구하기와 같은 연구가 있습니다.

현대에 이르러 실험에 필요한 재원의 규모가 점차 늘어나면서 상황은 역전되어 가고 있습니다. 이론적 뒷받침 없는 실험은 점차 설자리가 줄어들면서 이론이 방향을 제시해야만 실험이 이를 쫒아가는 형식으로 점차 바뀌어 가고 있습니다. 하지만 현대의 이러한 상황에도 불구하고 간혹 나타나는 이론적 한계가 발생하며, 이러한 한계를 극복하기 위해서 이론이 재검토되기도 합니다. 물론 실험이 없이 순수하게 이론적인 힘만으로 모든 것을 예측해 버리는 경우도 있는데 헬륨의 초유체 현상이 그 대표적인 예입니다.

초유체 현상은 유체의 점성이 없어지는 현상으로서 저온에서의 에너지 관계를 적절히 가정한 뒤 그 결과로 초유체 현상이 나타난다는 주장을 한 사람들이 있었습니다. 이 이론은 이론 현대물리학에서는 보기 드물게 수식계산 30여장으로 끝나는 매우 짧은 논문으로 발표되었습니다.(수학에서 페르마 방정식 증명문제는 간단하게 증명됐다고 하는데도 수식계산 200장이 필요했던 것을 생각해 보십시오.) 몇 년만에 실험으로 직접적인 입증이 돼어 2003년 이 업적으로 노벨 물리학상 수상합니다. 하지만 실제 실험에서는 이론과는 다른 현상들이 발견되었고, 그 뒤는 실험과 이론이 상호 교류를 통해서 발전하게 됐습니다. 현재는 이러한 초유체 현상이 헬륨액체에서뿐만 아니라 일부 다른 원소의 기체와 고체에서도 발견되었습니다.

결국 과학의 발전은 이론과 실험이 서로 업치락 뒤치락 하면서 공명함으로서 발전하게 됩니다. 만약 상호 공명을 하지 않고 한 가지만 발전하게 된다면 점점 발전속도가 느려지다가 결국 정체할 것입니다.

수학적 사고와 사색과 사유도 이론과 실험의 관계와 비슷한 관계가 있습니다.

이 두 요소는 이론을 구성하는 두 뼈대입니다. 일반적으로는 자연을 관찰하고 실험하면서 그 결과를 수학적 사고를 거처 과학적 이론으로 완성시킵니다. 뉴턴이 만들었던 중력법칙이나 페러데이가 발표한 페러데이의 법칙 등등도 모두 그러한 결과로 탄생한 과학의 이론들이었고, 위에서 잠깐 예로 나왔던 아인쉬타인이 만든 E=mc² 를 언급한 논문도 역시 비슷한 과정을 거친 결과였습니다. 하지만 수학과 동떨어진 출발점을 갖는 경우도 많은데 위에서도 예로 들었던 아인쉬타인의 상대성이론이 그 예입니다. 뿐만 아니라 아인쉬타인이 기초 이론을 정립한 레이저(메이저)에 대한 이론도 같은 예라 할 수 있습니다.

하지만 이러한 수학적 사고와 사색과 사유도 어느 것이 먼저 앞서가는 관계가 아니라 서로서로 공명관계를 유지해야 빨리 발전할 수 있습니다.

4. 서구의 자연과학은 애초부터 틀린 방법이었는지도 모른다.

현재까지 줄기차게 과학이 발전해 왔고, 앞으로도 더욱더 발전하겠지만 일부에서는 회의론을 갖고 있는 사람들이 있습니다.

일찌기 서구의 지식체게는 논리학을 바탕으로 모든 것을 순차적으로 발전시키는 방법을 갖고 있었습니다. 그래서 서양에서는 일반적인 과학이 아닌 심리학 같은 것까지도 논리학을 바탕으로 전개하려는 특성이 있습니다.

반면 동양에서는 모든 것을 종합적이고 유기적인 측면을 고려하여 생각하면서 한 순간에 깨닫는 돈오 또는 통섭의 개념으로 발전을 꽤하는 편이기 때문에 중간과정도 없고, 후학도가 볼 때 알아보거나 따라 하기도 힘들지만 이러한 방법이 보다 더 완벽한 결론을 얻어내는 방법인지도 모릅니다. 하여튼…

현재까지는 서구의 논리적 사고체계를 중심으로 발전해 왔는데, 보는 사람에 따라서 장단점이 있다고 하니 어떤 것이 미래에 주류가 될지 모르겠습니다. 하여튼 공부하시는 분들과 가르치시는 분들은 이러한 시각이 있다는 것을 항상 생각해야 할 것 같습니다.

5. 에필로그

과학의 분야를 구분하라면 어떻게 구분하시겠습니까?

제일 먼저 나누는 것이 순수과학과 응용과학입니다.

순수과학은 수학, 물리, 화학, 생물, 지구과학(천문학 등)으로 나뉘어지고, 응용과학은 그때그때 달라지는 것이니 뭐라 할 것이 없는 것 같습니다. (응용과학의 대표적인 예가 뭐가 있을까요? 반도체공학? 재료공학? 의학?)

순수과학만을 살펴볼 때…. 가장 균형이 잘 잡힌 과학이 물리학입니다. 이론과 실험이 절반씩 섞여있지요. 수학은 실험이 거의 없이 이론에만 치우쳐 있고, 화학과 생물학은 제 의견에 반대하실 분들도 계실듯 합니다만 실험 위주이며, 이론적 부분은 극히 제한적인 편입니다. 지구과학은 이론은 전적으로 물리학에 의존하고, 스스로는 실험과 탐사가 대부분입니다.

이렇게 분야마다 그 특성이 다 다르지만, 한 가지 확실한 것은 과학발전은 패러다임의 변화를 의미하고, 패러다임의 변화를 위해선 실험과 이론이 필요하다는 점입니다.

[#M_ps.|ps.|

대부분의 글은 쓰기 시작할 때 무척이나 힘듭니다.

글의 주제를 정하고 나면 시간을 갖고 사색하는데 특히 이번 주제 과학의 구조는 수학이 무엇인지에 대한 글을 쓴 뒤에
줄곧 생각해왔는데도 아직 확실히 정리됐는지 확신이 서지 않아 이 글을 쓰기가
망설여집니다. 그동안 두 번 글쓰기 시도가 있었고, 이 글이 세 번째 시도된 글입니다. 이 글은 빨리 작성해야겠기에 주저주저하면서 타자를 시작합니다.

과학은 기존의 과학을 배우지 못한다면 제아무리 뛰어난 사람이라도 더 낳은 결과를 생각할 수 없습니다. 그 이유는 과학적
발전은 패러다임의 발견을 통해 이뤄지는데, 혼자만의 생각으로는 수많은 선현들의 패러다임을 한 번에 뛰어넘는 것은 불가능하기
때문입니다. 그러나 결국 과학의 구조를 패러다임 개념을 기초로 이렇게 분석해 놓고 보니 막상 제가 하고 싶었던 이야기 중 일부는
못 한 것 같네요…. 제가 능력이 부족한 것이 많이 아쉽습니다. ^^; 제 글을 읽고 공부하시는 분들 속에서 저보다 더
뛰어난 분들이 나와 우리나라의 과학계를 이끌어 가는 사람이 나와줬으면 제가 이 글을 쓴 보람을 느낄 수 있을 것 같습니다. ^^

일반적으로 과학에 흥미를 갖는 사람들은 대부분 수학과 물리학에 관심을 두며 시작하고, 점차 다른 분야로
취향이 바뀌는 것 같습니다. 특히 생물이나 지구과학을 선택하시는 분들은 원래 적성이 그쪽으로 있어야 할 듯 합니다. 생물을 키우거나 답사
다니는 것 등등을 아무나 좋아하면서 잘 할 수 있는 것은 아니죠. ^^ 그러니 과학을 전공하고자 하시는 분들은 꼭 자신의
적성을 고려해야 합니다. ^^

그리고 경제적 궁핍 문제와 진로 문제를 고민하시는 분들은 순수과학을 선택하면 안 됩니다. 물론 순수과학을 제대로
공부한다면 부와 안정을 쉽게 획득할 수 있습니다. 하지만 그것은 극히 일부의 이야기일 뿐입니다. 부와 안정을 추구한다면
이공계보다는 상경대로 진학하시기 바랍니다.

_M#]