우리는 평소에 “상제님의 권능과 관련한 일들이 과학적으로 증명이 되는가?”라든지 “전생(前生)이 있다는 사실이 과학적으로 입증이 되면 믿겠다.”는 등의 말을 자주 접한다. 이처럼 과학은 우리 일상에 진실 여부를 가늠하는 하나의 척도로서 자리 잡았다. 심지어는 TV 광고에 ‘침대는 과학입니다.’, ‘김치도 과학입니다.’라는 문구가 등장할 정도로 과학이라는 단어와 친숙한 생활을 하고 있다. 하지만 ‘과학이 무엇인가?’라는 물음에는 뭐라 선뜻 답하지 못하고 막연해 한다.

  따라서 우리는 자연에 대한 호기심과 탐구심에서 비롯하여 오랜 세월동안 끝없이 자연의 진리를 탐구하여 왔고, 오늘날 우리 삶에 밀접하게 자리 잡은 과학에 대한 개념을 정립해야 할 필요를 느낀다. 이 글에 과학이라는 학문의 개념과 역사적 흐름 그리고 특성을 개괄적으로나마 소개하여 과학에 대한 개념을 정립하는 데에 도움이 되었으면 한다.

과학은 넓게는 대부분의 학문을, 좁게는 자연과학을 의미

  과학은 영어나 프랑스어에서 쓰는 ‘science’를 번역한 말이다. 본래 science는 ‘사물을 안다’는 뜻을 가진 그리스어 ‘scire’에서 유래되었다. 이 science는 자연과학을 표현할 때도 사용하고 일반적으로 학문을 말할 때도 쓰인다. 그러나 독일어에서는 학문은 ‘Wissen’, 과학은 ‘Wissenschaft’라 하여 학문과 과학을 엄격히 구분하여 사용하고 있다. 국어사전에서‘과학’이란 단어를 찾아보면 ‘어떠한 가정 위에서 일정한 인식 목적과 합리적인 방법에 의하여 체계화된 지식, 넓은 의미로는 학문과 같은 뜻이고 좁은 의미로는 철학 이외 학문의 총칭 또는 자연과학을 일컬음’이라고 설명되어 있다.

  과학은 연구 대상에 따라 ‘넓은 의미’와 ‘좁은 의미’의 과학으로 나눌 수 있다. 넓은 의미의 과학은 종교ㆍ예술을 제외한 모든 학문이 포함된다. 여기에는 인간과 문학, 역사, 철학 등을 대상으로 하는 인문과학(人文科學)과 사회 및 사회생활의 모든 현상을 대상으로 하는 사회과학(社會科學), 자연과 물질을 대상으로 하여 이들을 경험적 및 실험적으로 다루는 자연과학(自然科學)으로 크게 나눌 수 있다. 한편, 좁은 의미의 과학은 이 세 가지 과학 중에서 자연과학으로 한정한다.

  그리고 자연과학은 연구 분야에 따라 크게 물리학, 화학, 생리학과 동물학, 식물학, 천문학, 지질학 등으로 나누며 모든 연구 분야에서 실험 관찰로 얻어지는 현상을 서술하고 연관시키는 수단으로 수학(數學)을 사용한다. 수학은 인간의 사유에 의하여 구성된 추상적인 언어 약속의 세계로서 자연과학의 기초학문이다.

탈레스에서 뉴턴ㆍ아인슈타인을 거쳐 초끈이론에 이르기까지01

  고대인들은 그들을 둘러싼 세상과 자연 현상들 대부분이 이해하기 어려운 것이었다. 불을 만들 수는 있었지만 번개가 치면서 불이 생기는 현상이나 동료가 몸이 아파 쓰러지거나 죽어가는 등의 이유를 알 수 없었다. 이처럼 설명하기 어려운 현상들을 신의 뜻이라고 생각했다. 이러한 자연현상에 대한 해석은 서양 철학의 아버지인 탈레스(B.C.?624~B.C.?546)가‘만물의 근원은 물이다’라고 주장하는 시점에 이르러 신의 섭리에서 인간의 머리로 옮겨오게 된다. 그러나 당시의 철학자들은 소박한 관찰과 사색만으로 자연을 해석하려 하였다.

  서구의 철학자들이 단지 머릿속 생각만이 아니라 객관적인 관찰을 통해 얻은 사실을 토대로 자연현상을 설명하기 시작한 것은 아리스토텔레스(B.C.384~B.C.322)가 등장한 이후부터라고 할 수 있다. 아리스토텔레스가 자연을 해석한 방법은 이전의 철학자들이 진리를 탐구한 방법과는 다른 것이었다. 그는 관념적 사고에서 벗어나 자연을 세심하게 관찰하고 복잡한 현상들이 서로 어떻게 연관되는지를 연구하여 그것을 기록으로 남기기 시작하였다. 이러한 아리스토텔레스의 연구방향과 업적은 후대의 학자들에게 큰 영향을 미쳤으며, 이 무렵부터 오늘날 우리가 사용하는 과학적인 방법이 형성되기 시작하였다.

  중세를 지나는 동안 고대 그리스에서 철학과 더불어 태동한 과학은 기독교의 틀 속에 갇혀 암울한 시기를 보냈다. 신앙의 시대인 중세는 모든 의문의 답이 성서(聖書)에 이미 다 나와 있다고 믿었기 때문에 모든 것의 해답을 성서의 진리로부터 얻어야 했다. 그러나 문예부흥 운동으로 일컬어지는 르네상스와 종교개혁을 거치는 동안 과학은 신학의 억누름에서 벗어나 새로운 기틀을 마련하게 된다.

  케플러(1571~1630)ㆍ갈릴레이(1564~1642)ㆍ뉴턴(1642~1727) 등의 근대 과학자들은 아리스토텔레스를 비롯한 철학자들의 책 속에 있는 내용을 그대로 믿지 않았다. 새로운 관찰과 실험을 거치면서 거의 2,000년 동안 진리라고 믿어 온 것들의 오류를 밝혀냈다. 그들은 실험적 방법과 수학적 논리를 바탕으로 한 새로운 방법론을 내세우며 철학과 구분되는 새로운 영역을 구축하기 시작하였다. 근대 자연과학으로 새롭게 발전한 것이다. 그리고 17세기 말이 되면서 과학자들은 수학ㆍ물리학ㆍ화학ㆍ천문학 같은 순수 과학의 영역에 관심을 모으기 시작하며 그 영역이 세분화되기에 이른다.

  뉴턴은 자연 속에서 일어나는 많은 복잡한 사건들의 배후에는 몇 가지 단순한 자연법칙02이 숨어 있다는 것을 밝혔다. 또한 그는 중력이 모든 물질에 보편적으로 작용하는 힘이라는 사실을 간파했고, 아인슈타인(1879~1955)은 이를 바탕으로 일반상대성이론을 완성하여 중력이 시공간의 휘어짐에 따라 나타나는 힘임을 보여주었다. 이들 법칙은 너무나 놀랍게도 거시(巨視)세계에서 일어나는 자연현상들을 설명할 수 있었다. 그런데 문제는 원자보다 더 작은 미시(微視)세계였다. 이 경우, 중력이 미시세계의 기본원리인 양자원리와 부합해야 하는데 일반상대성이론으로는 중력을 양자원리와 결합시키는 것이 불가능하다는 것을 수십 년 동안의 무수한 실패 끝에 알게 되었다.

  답보 상태에 놓여 있던 이 문제에 극적인 해결을 제시한 이론이 바로 끈(string)이론이다. 이것은 만물의 최소 단위가 입자가 아니라 ‘진동하는 끈’이라는 물리이론으로 다양한 원자핵들을 설명하기 위하여 처음 도입되었다. 이후 1980년대에 초(超)끈이론으로 발전하여 양자원리와 미시세계의 중력을 모순 없이 통합하여 모든 것을 설명하는 통일장이론의 유력한 후보가 되었다. 그래서 끈이론을 ‘우주만물이론(Theory of Everything)’이라고 부르기도 하지만 아직 완벽한 이론이 되기 위해서는 풀어야 할 문제도 많다.

  이와 같이 고도로 발전한 자연과학은 오늘날에 이르러 매우 세분화되고 전문화되었다. 또 뉴턴의 기계적ㆍ부분적인 관점이 아닌 전체적인 관점에서 사물들을 보려고 하는 추세이다. 한때는 몇몇 탁월한 과학자들이 혼자 힘으로 엄청난 자연의 비밀을 밝혀내곤 했지만, 이제는 하나의 문제를 해결하기 위해 여러 영역의 과학자들이 공동으로 노력하는 경우가 많다. 더욱이 컴퓨터를 통해 구축된 범세계적 네트워크는 과학의 발달에 중요한 영향을 미치고 있다.

과학은 인류에게 큰 혜택을 가져다주었지만 심각한 문제도 야기

  자연과학은 인간이 자연에 대해 느끼는 호기심과 탐구심에서 비롯되었고 진리를 향한 끊임없는 노력들이 과학의 역사를 만들어 왔다. 그렇지만 자연을 관찰하고 설명하는 것은 결코 간단한 일이 아니다. 왜냐하면 자연은 항상 변화하고 사물들 사이에 어떤 연관성이 있는 것처럼 보이는 경우도 많지 않으며, 똑같은 자연현상을 관찰하고서도 저마다 다르게 설명할 수 있기 때문이다. 따라서 자연의 비밀을 정확히 밝히려면 논리적이고 체계적인 설명 방법이 필요하다는 점을 인식한 것은 과학 발달의 중요한 출발점이다. 이 같은 생각을 토대로 누구나 객관적으로 인정할 수 있는 과학 이론과 법칙들이 등장하게 된다.

  개별적 자연현상들이 하나의 법칙에 의하여 합리적으로 설명될 때 그것을 보편지식이라고 부르는데 이것이 하나의 과학 이론이나 법칙이 된다. 이러한 이론이나 법칙들은 우리의 자연현상에 대한 보편적 이해를 가능케 하였으며, 문명의 이기(利器)들을 통하여 인류의 생활에 엄청난 편의와 혜택을 가져다주었다. 하지만 근대 서양의 과학문명은 모든 것을 기계적이고 분석적인 방법에 의존함으로써 자연과 인간을 유기적이고 전체적인 관계로 파악하는 데 실패했다. 이러한 사상적 기반 때문에 인간의 이익을 위하여 자연을 수단시 하고 정복하려 하였으며, 나아가 자연환경과 생태계가 파괴되는 등의 심각한 문제를 일으켰다.

과학은 자연의 신비를 완벽하게 해석하고자 진화하는 중

  자연과학은 거대한 우주에서부터 아주 미세한 미립자에 이르기까지 실존하는 모든 물질과 자연현상을 체계화된 논리로 보편타당하게 설명할 수 있는 이론을 만들어 그것들을 해석하고자 하는 학문이다. 그 대상은 인간의 감각으로 인식할 수 있는 범위 내에서만이 가능하고 그 범위를 벗어난 부분에서는 해석할 수 없는 한계를 띤다. 이러한 한계를 극복하고자 여러 가지 기구나 기계장치(전자현미경, 열감지기 등)를 이용하여 그 범위를 넓히고 있지만 여전히 한계는 존재한다. 따라서 현대 과학의 이론들을 모두 동원하더라도 길가에 이름 없는 풀 한 포기의 신비를 완벽하게 해석할 수 없다.

  그리고 현상계를 좌우하는 변수의 개수가 많을 때 과학적 방법은 대체로 실패하게 된다. 일기예보가 바로 그렇다. 불과 며칠 후의 날씨조차 정확히 예측할 수 없지 않은가. 이것은 작용되는 변수가 너무 많고 복잡하여 자연현상의 인과관계를 모두 고려할 수 없기 때문이다. 이와 같이 과학은 모든 물질과 자연현상을 완벽하게 해석하기에는 아직 부족하다. 하지만 과학의 역사가 진리 탐구의 역사이듯이 자연의 신비를 완벽하게 해석하고자 하는 과학자들의 노력은 계속되고 있다. 과학은 지금 이 순간에도 진화하고 있는 것이다.

01 오늘날까지 자연과학의 발달 과정에는 수많은 과학자와 과학이론이 있었지만, 여기서는 주요한 몇 사람과 대체적인 흐름만을 소개하였다.

02 그의 저서 『프린키피아』에서 밝힌 뉴턴의 관성ㆍ가속도ㆍ작용반작용의 세 가지 법칙.

03 시간의 변화가 공간의 변화를 일으킬 수 있고, 공간의 변화가 시간의 변화를 일으킬 수도 있다. 즉 시간과 공간은 분리될 수 없다는 것으로, 19세기까지 공간과 시간을 독립된 절대개념으로 생각한 것에 대한 새 해석.

참고자료

ㆍ 홍영석, 『과학의 역사』, 교우사, 2002.

ㆍ 김치경 외, 『아하! 이런 것이 자연과학이구나』, 범한서적, 2004.

ㆍ 김정욱 외, 『우주와 인간 사이에 질문을 던지다』, 북하우스, 2007.

ㆍ 홍준의 외, 『살아있는 과학 교과서 1,2』, 휴머니스트, 2006.

_표

인물ㆍ시대

주요 업적과 패러다임

소크라테스

신의 섭리에서 인간의 머리로(소박한 관찰과 사색만으로 자연을 해석)

중 세

과학의 암흑기(신학의 시대)

르네상스

신학의 억누름에서 벗어나 과학의 새로운 기틀을 마련

뉴 턴

고전 물리학의 완성, 근대 자연과학의 태동

아인슈타인

특수ㆍ일반 상대성이론, 시간과 공간에 대한 새로운 해석 03

현 대

매우 세분화ㆍ전문화. 우주만물이론(초끈이론)에 도전

과학의 학문적 구분 

《대순회보》 110호