에피소드 과학철학
네째 주: 과학적 방법론의
발달
브라헤
망원경 발명 이전 가장 훌륭한 천문관측 능력을 인정받았던 브라헤(Tycho Brahe, 1546~1601) 는 귀족의 아들로 부유하게 태어나 일생 동안 하루도 빠짐없이 밤하늘의 별만 쳐다보며 그
위치변화를 정확하게 측정했고, 그 결과를 넘겨 받은 케플러는 그 자료를 토대로 행성들의
운동을 수학적으로 완벽하게 그려낼 수 있었다.
케플러
코페르니쿠스의 지지자였던 케플러(Johannes Kepler, 1571~1630)는 우주의 수학적 조화를 주장한 피타고라스의 영향을 받았으며, 또 신은 기하학자라는 플라톤의 생각을 받아 들였다.
수학 천재이자 이론가였던 케플러는 수학으로 우주를 이해할 수 있다고 믿었다. 1600년, 그는 브라헤를 만난다. 그러나 브라헤는 평생을 바쳐 관측한 천문 자료를 케플러에게 넘겨주기를
꺼려했다. 시간이 흘러 브라헤는 죽은 다음에야 케플러는 그의 관측 자료를 건네받을 수 있었다.
케플러 (계속)
브라헤의 관측 결과를 토대로 케플러는 행성의 궤도를 원운동의 조합으로 나타내려는 시도를 포기하고 대신 1605년 타원으로 이뤄진
조화롭고 단순한 행성궤도 이론을 완성한다.
1609년에 그는 자신의 저서 『신천문학
(Astronomia Nova)』을 통해 행성 궤도의 제 1, 2법칙들을 발표하였다.
케플러의 제 1법칙과 제 2법칙
제 1법칙은 행성궤도는 타원이라는 것이고, 제 2법칙은 행성과 태양을 연결한 선은 같은 시간 동안 같은 면적을
휩쓸며 지나간다는 법칙이다. 따라서 행성이 태양과 가까울 때는 빠르게 공전하고 멀 때는 느리게 공전한다.
케플러의 제 1법칙과 제 2법칙
이 법칙들은 그 동안 받아들여졌던 등속 원운동 개념과 근본적 차이가 있다. 케플러의 법칙들은 아리스토텔레스의 우주론의 근본변화를 뜻하며, 행성의 운동을 이상적 고정관념이 아닌 관찰을 통해 파악했으며 그 결과를 수학적으로
정확하게 표현하였다는데 그 의미가 있다.
케플러의 제 3법칙
케플러는 1619년 펴낸 『우주의 신비
(Hmmonice muncli)』에서 행성의 공전주기의 제곱은 태양과의 평균거리의 세제곱에
비례한다는 제 3법칙을 발표한다. 이는 '조화의 법칙'이라고도 한다. 그는 세 법칙들을 통해
주전원들을 도입하지 않고도 간단한 도형과
수식으로 행성의 공전궤도를 표현할 수 있었다.
하지만 왜 행성이 부등속 타원운동을 하는지 묻지 않을 수 없었는데, 이 물음의 답은 뉴튼 (Isaac Newton, 1642~1727)이 제공하게 된다.
혈액순환 이론
영국인 의사 하비 (William Harvey, 1578~1657) 는 근대 생리학의 기초를 마련한 인물이다. 그는 르네상스기의 다른 과학자들처럼 베니스의
파도바 대학을 다녔다. 파도바 대학은 이전에 안드레아스 베살리우스가 교수로 있었던
학교로, 그는 여기서 저명한 해부학자 파브리치우스(Hieronymus Fabricius, 1537~1619)의 가르침을 받았다.
혈액순환 이론 (계속)
파브리치우스는, 갈레노스의 해석에 따라,
판막은 혈액의 속도를 늦추게 하여 인체 말단에 흐르는 혈액량을 조절하는 역할을 한다고
보았다.
그러나 그의 제자였던 하비는
파브리치우스의 생각과는 반대로 정맥의 판막이 혈액을 심장으로 다시 흘러 들어가도록 하는
기능을 가지고 있음을 증명하였다.
혈액순환 이론 (계속)
하비는 판막 때문에 혈액이 폐로부터 심장의 좌심실로 갈 수는 있으나 그 반대방향으로는
진행할 수 없게 되어 있다는 사실에 주목하였다.
결국 혈액은 심장에서 동맥으로 나가서 다시 정맥을 거쳐 심장으로 되돌아올 수밖에 없다.
이러한 심장과 동맥계의 기능은 1628년
『동물의 심장과 피의 운동에 관한 해부학적
연구 (Exercitatio Anatomica de Motu Cordis et Sanguinis in Animalium)』에서 처음으로
명쾌하게 설명되었다.
혈액순환 이론 (계속)
하비의 저술에는 실험적 증거에 토대를 둔 합리적 논의가 제시되었으며, 이것은 실험을 과학 연구에 적용한 최초 사례로 간주된다.
당시는 인체실험을 할 수 없었기에 그는
동물을 산 채로 절개하여 관찰하였다. 그 덕분에 심장이 수축하여 피를 내보내는 것을 직접 봤고, 그 펌프 작용으로 인해 맥박이 뜀을 확인했다.
이것은 심장 근육의 능동적 작용이 수축이며, 심장의 본래 기능은 피를 흡수하는 것이 아니라 방출하는 것임을 보여주는 증거였다.
혈액순환 이론 (계속)
그러면 새 피는 어디에서 오는 것일까? 하비는 관찰과 실증뿐 아니라 수량적 설명도 도입했다.
하비는 죽은 사람 심장을 해부해서 3/4dl
(1dl=l00ml)의 피가 담길 수 있음을 확인했다.
심장은 1 맥박당 2 온스(56.6g)의 피를 방출하고 1분당 72맥박이 뛰므로, 시간당 8,640온스라는 많은 피가 심장에서 방출되는 셈이다. 따라서 피가 심장으로 돌아오지 않으면, 그 많은 피가 어디서 생겼는지, 어디로 갔는지 도저히 설명할 수 없다. 이것은 혈액순환론의 결정적 증거였다.
혈액순환 이론 (계속)
하비는 또 혈관에서 혈액의 흐름을 관찰하기 위해 실을 이용해 살아있는 동물의 동맥이나 정맥을 묶고, 어느 쪽 혈관이 부풀어오르는지 관찰하였다. 그런데 동맥을 묶었을 때에는
반드시 심장에서 가까운 방향에서 부풀었다.
따라서 동맥에는 심장에서 나오는 혈액이 흐른다. 정맥을 묶었을 때는 심장에서 먼 쪽 혈관이 항상 부풀므로 정맥의 혈액은 심장 쪽으로 흘러간다. 또 정맥에는 판막이 있어
혈액이 심장 반대 쪽으로 흐르는 것을 막아준다.
혈액순환 이론 (계속)
그러나 혈액이 어떻게 동맥에서 정맥으로 전달되는지 하비의 연구로도 밝히지
못했다. 어떤 연결관이 있을 것이라고
짐작했는데, 1660년 말피기 (Marcello
Malphigi, 1628~94)가 개구리 폐 모세혈관을 현미경으로 관찰하여 확인했다.
현대인이 본 심장의 구조
현재는 심장의 구조가 자세히 알려져 있다:
양쪽 심방에는 정맥,
심실에는 동맥이 연결되어 있다. 우심방에는 대정맥, 우심실에는 폐동맥이, 좌심방에는 폐정맥, 좌심실에는 대동맥이 연결되어 있다.
혈액순환 이론 (계속)
하비의 혈액순환설에는 기계론과
아리스토텔레스 주의, 그리고 베이컨의 실험적 방법이 절묘하게 조화되어 있었다. 그는 혈액
순환의 원인을 오직 심장박동 한 가지로 돌렸고, 그것은 기계적 작동을 의미했다. 즉 심장을
혈액이 폐회로를 따라 돌도록 하는 일종의 기계, 펌프로 본 것이다. 하비의 혈액순환설은
전통적인 형이상학적 가설과 이론을 배경으로 했지만, 그 확인과정은 관찰과 실험을 강조한 베이컨의 경험적 방법을 적용한 사례였다.
천체 망원경
케플러와 거의 동시대 사람으로서 고전 역학의 완성에 큰 업적을 세운 갈릴레이는 이탈리아의 피사에서 태어났다. 그는 뉴턴과 마찬가지로 기계들을 만지고 다루는 재주가 뛰어났으며 , 수학과 과학에 흥미를 보였다. 그는 네덜란드의 안경사들이 1609년에 두 개의 렌즈를 빈 관
양쪽에 장치해 망원경을 만들었다는 이야기를 듣고, 렌즈를 직접 연마하여 1610년에 자신의 천체망원경을 만들었다. 그는 이 망원경으로 하늘을 관찰하기 시작하였다.
천체 망원경 (계속)
그는 고정된 천구, 한정된 우주에서 반짝이는 별들이 아닌 광활한 우주에서 빛나는 무수히
많은 별들을 봤다. 지구를 도는 천체들만 보이는 것이 아니라, 목성을 도는 위성도 관찰되었다.
완전해야 할 천상계에서 울퉁불퉁한 표면을
가진 달도 관찰되었다. 초생달 모양이던 금성이 달처럼 차고 기우는 것도 관찰하였다.
이 결과 갈릴레이는 코페르니쿠스의
지동설을 받아들였다. 그러나 행성이 타원
운동을 한다는 케플러 이론은 수용하지 못했다.
『
2대 체제에 관한 대화』
갈릴레이는 성서와 지동설 간의 모순을 여러 곳에 편지로 써서 보냈는데, 문제가 되어
교황청에서 1차 종교재판을 받고 지동설을 언급하지 말라는 경고를 받았다. 그럼에도
『프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 2대 체제에 관한 대화』라는 책을 썼다(1632). 이 책에서
경고에 저촉되지 않게 지동설을 주장하려
했으나, 결국 2차 종교재판까지 받았다. 화형을 피하기 위해 지동설을 주장하지 않겠다고
서약하고 죽을 때까지 가택 연금생활을 하였다.
『두 가지 새로운 과학에 관한 논의와 수학적 증명』
그럼에도 불구하고 아리스토텔레스의
천문학체계 는 갈릴레이의 천체망원경의 발명과 2대 체제에 관한 책의 발간으로 무너질 수 밖에 없었다.
가택연금생활 동안 갈릴레이는 『두가지
새로운 과학에 관한 논의와 수학적 증명』(1638) 을 출간 했다. 이 책은 당시의 임페투스 이론을 극복하고 운동에 대한 새 접근 방법을 시도한 것으로서 근대 역학을 수립하는 계기가 되었다.
『두 가지 새로운 과학에 관한 논의와 수학적 증명』 (계속)
아리스토텔레스에 의하면 모든 물체는 자연적 위치가 있다. 가벼운 물체는 위가, 무거운
물체는 아래가 자연적 위치이다. 자연적 위치로 향한 운동은 자연적 운동이고, 그로부터
멀어지는 운동은 비자연적 운동이다. 물체가
비자연적 운동을 하려면 힘을 받아야 하고, 힘은 반드시 접촉해서 작용한다고 봤다. 이 생각의
난점은 공중으로 던진 물체도 운동한다는
것인데, 진공을 허용하지 않으려 소용돌이치는 공기가 밀기 때문이라고 설명했다.
『두 가지 새로운 과학에 관한 논의와 수학적 증명』 (계속)
아리스토텔레스의 운동론을 극복하고자 제안된 것이 ‘임페투스 이론’이다. 14세기 프랑스
철학자 뷔리당(Jean Buridan, 1300~58)은 6세기 철학자 필로포노스의 임페투스 이론을
받아들였다. 이에 따르면, 물체는 직접 힘을 안 받아도 내부에 가진 임페투스(impetus, 기동력) 덕분에 운동할 수 있다. 그것은 처음의 운동원인 으로부터 얻어진 것인데, 그 강도는 그 원인의 속도와 질량에 비례한다. 물체가 멈추는 것은 그렇게 얻은 임페투스가 떨어졌기 때문이다
『두 가지 새로운 과학에 관한 논의와 수학적 증명』 (계속)
임페투스는 관성과 비슷한 개념이었지만 아직 불완전했다.
이 무렵 갈릴레이는 다음 실험을 행하였다. 흠이 파인 막대기를 굽힌 것을 둘 만든 후 양쪽 끝이 경사진 사면이
되도록 연결한 후, 한쪽 사면 위에서 공을 굴렸다. 그는 공이 다른 쪽 사면의 같은 높이만큼 올라간다는 것을 발견했다.
갈릴레이는 다른 쪽 사면이 지표면과 일치하도록 평평하게 만들고 공을 굴렸다면 그 공은 영원히 운동을
계속했으리라고 추론했는데, 이것은 바로 관성의 개념을 생각해낸 것이었다.
『두 가지 새로운 과학에 관한 논의와 수학적 증명』 (계속)
그러나 갈릴레이는 이 개념을 힘을 받지 않고 운동하는 모든 물체에 적용하지 않고, 지구표면 위에서 등속원운동을 하는 경우에만 한정하여 적용하였다. 이 관성 개념은 나중에 데카르트에 의해 완성된다. (뒤쪽 슬라이드 참조.) 그의 관성 개념은 운동을 하려면 외부에서 계속 힘이 작용 해야 한다는 아리스토텔레스의 운동 개념에서 완전히 벗어난 것이었다. 또 지속적으로
작용하는 힘이 없어도 운동이 일어난고 하여 임페투스 이론도 극복하였다.
관성의 개념과 지동설
당시 사람들이 코페르니쿠스의 우주론을 반대한 이유 하나는, 지구가 자전한다면 그 위의 우리들 이 그 현상을 느끼지 못할 리 없다는 것이었다.
이 문제를 해결하기 위해 갈릴레이는 운동의 상대성 개념을 도입하였다. 이 개념에 의하면, 물체가 움직이느냐 멈춰있느냐의 문제에는
절대적 기준이 없고 오직 관측자와 운동자 간의 상대적 위치 변화를 통해서만 판단할 수 있다.
그런데 지구 위에 있는 우리 모두는 지구와 함께 돌고 있으므로 지구가 도는 것을 느낄 수 없다.
관성의 개념과 지동설 (계속)
사람들이 지동설을 받아들이기 힘들었던 또 다른 이유는, 자전하고 있는 지구 위에 있는 사람이 공중으로 물체를 던지면, 그 물체는 지구가 움직이므로 그만큼 뒤쪽으로 떨어질 것인데, 왜 다시 그 사람 손으로 되돌아오느냐 하는 것이었다. 갈릴레이는 지구 위 물체가
지구와 같은 속력으로 운동하기 때문이라고 설명하였다. 즉 위로 던져진 물체는 위 방향의 운동과 지구의 자전 방향과 같은 방향으로 가는 운동이 합쳐진 운동을 한다는 것이다.
과학방법론 정립
17세기에는 과학의 방법에 관해 활발한 논의가 일어났다. 기계론적인 세계관이 대두되면서
과학자들이 그들의 연구에 새로운 방법이
필요함을 느꼈기 때문이다. 과학 연구의 새로운 방법론을 서로 다른 입장에서 체계적으로 제시한 사람들이 있었으니, 영국의 베이컨(Francis
Bacon, 1561 ~1626)과 프랑스의 데카르트(René Descartes, 1596~1650) 였다.
베이컨
베이컨은 인간 지성을 잘못된 방향으로
나아가게 하는 편견으로 4가지 우상들이 있다고 하였다. 인류의 보편적 편견인 ‘종족의 우상’,
개인의 편견으로 동굴 속의 암흑에 비유되는
‘동굴의 우상’, 말의 부적당한 사용 때문에 생긴 편견으로 마치 시장에서 풍문이 나도는 것과
같은 ‘시장의 우상’, 어떤 학자의 독단이나
권위적 전통 때문에 생기는 ‘극장의 우상’이 바로 그것이다.
베이컨 (계속)
이 편견들을 이기고 과학자가 따라야 할 방법은 귀납적 방법이다. 이에 의하면 과학자는 자연에 관한 모든 정보를 수집하고 분류하여 표를 만든 다음 그로부터 일반적 결론을 끌어내야 한다.
베이컨의 방법론은 지나친 형식화로 인해 실행이 어려웠고, 그는 수학적 추론과 가설의 중요성도 이해하지 못했다. 또 맹목적 사실 수집을 강조하고 창조적 통찰을 경시했다.
그러나 당시의 학문적 풍토에서 실험과 관찰을 중요시한 것은 높이 평가받아 마땅하다.
데카르트
데카르트는 르네상스 자연주의자들과의 대결을 통해 기계적 자연관을 정립했다. 자연 주의자들은 자연을 영적 힘들의
집합체로 봤는데, 자연은 이성으로 파악할 수 없는 신비한 존재이며, 인간은 단지 직관을 통해 어렴풋이 이해할 수 있을 뿐이라 주장했다. 반면 데카르트는 자연이 인간 이성 앞에 투명하게 드러나는 존재라고 보았다.
이것은 그가 정신과 물질이 명료히 구별되며 인간의 영혼을 제외한 모든 것이 이성을 통해 잘 파악될 수 있는 기계라고 보았기 때문이다.
데카르트 (계속)
데카르트에 의해 갈릴레이가 주장했던
역학이론의 한계점이 상당 부분 개선되고 향상되었다. 지구의 동속원운동의 개념이
포함되어 불완전했던관성의 개념이 데카르트에 의해 우리가 알고 있는 직선 관성개념으로
정확히 기술되었다. 즉 운동이란 물체가 처한 하나의 상태이고, 외력이 작용하지 않는 한 운동하고 있는 물체는 계속 그 상태를
유지하려는 성질이 있다는 것이다.
데카르트 (계속)
데카르트의 물심이원론에 의해 서양 고전역학의 근본철학인 기계적 자연관이 세워지게 되었고, 이는 1637년 저서 『방법서설』에서 제시된다.
하지만 그의 과학적 방법론은 경험을 무시하여 다분히 공상적이었다. 예를 들어
그에게 있어서 행성들이 원운동을 한다는 것은 당연한 진리였다. 뿐만 아니라 원운동의
원인으로서 소용돌이를 생각한 그에게서 빈
공간을 가로질러 작용하는 만유인력이란 개념은 도저히 나올래야 나올 수 없는 것이었다.
토론거리
물음 1: 데카르트의 관성이론과 그의 기계적 운동론을 둘 다 받아들인다고 하자. 그러면 행성의 원운동을 설명하는데 있어서 어떤 문제가 생길까?
물음 2: 베이컨의 귀납적 방법론은 하비가
혈액순환론을 연구발전 시킨 실제 과정과 잘 부합하나?
