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과학적 방법

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科學的 方法
scientific method.

1. 개요2. 과학적 방법론
2.1. Ask Why? Ask How?
3. 반증주의4. 여담5. 관련 항목

1. 개요[편집]

'과학적 방법이 무엇인가?'에 대한 합의된 견해는 없다. '과학적 방법'에 대한 여러 견해는 강력한 반론에 직면하기 때문이다.

수많은 변인(variable)들을 관찰하고, 필요하다면 실험을 통해 인과관계(causality)를 발견하고, 이를 통하여 얻어진 지식들을 축적하거나 대체하는 방법이다. 자연현상의 원리와 이치를 입증하는 데 있어서 합리적인 방법이다.[1]

인류는 인과관계의 입증을 위해서 직관적 통찰, 개인의 경험, 옛 사람들의 지혜[2] 등에 의존해 왔다. 일단 과학적 방법이 발명되자, 기존의 인류가 옳다고 받아들였던 수많은 "상식" 들이 믿을 만하지 못하다고 결론내려졌고 곧 극복되었다.

2. 과학적 방법론[편집]

기본적인 과학 교과서(일반물리학, 일반생물학 등)의 첫 부분에는 과학적 방법론의 개요를 설명한다. 미국에선 (AP듣지 않는 이상) 거의 매년 배울 정도로 중요하지만 한국에서는 고등학교 과학 맨 처음에 나오는 과정인데 뜻 있는 교사 이외에 아무도 중요시하지 않는다는 안습한 일면이 있다.

과학철학에서 "가설-연역적(hypothetico-deductive) 모형"의 내용은 다음과 같다.

  1. 관찰(Observation)
    과학자의 특정 연구 동기, 또는 이미 이루어진 다른 사전 연구들을 바탕으로, 특정 대상의 반복적, 객관적인 관찰을 통해 어떤 종류의 패턴을 찾아낸다.

  2. 가설(Hypothesis)
    특정 대상을 관찰한 뒤 이에 대한 가설을 세우고, 가설에 의거하여 대상을 예측한다. 여기서 가설은 그 자체로 대상의 설명은 가능하나 아직은 그 타당성이 검증되기를 기다리고 있는 설명을 말한다. 같은 현상을 설명할 수 있는 여러 개의 가설이 서로 경쟁할 수 있다.
    가설과 이론은 보통 언어보단 수학적 모델로 표현된다.

  3. 실험(Experiment)[3]
    가설을 검증하거나 반증할 수 있는 실험을 설계한다. 실험은 모든 불필요한 변인들이 사전에 탐지되고 통제(control)된 상태에서 시행된다. 인과관계의 검증을 위해, 실험군(EG)과 대조군(CG)을 설정하고, 가설에서 확인하고자 하는 변인을 처치하여 유의한 차이가 있는지 살핀다. 결과 데이터를 분석하여, 두 집단의 차이가 가설이 예측한 것과 같다면 가설은 입증된다. 만약 가설이 반증된다면 새로운 가설을 세운다.

  4. 이론(Theory)
    반복된 실험을 통해 재현성이 확보되어 충분히 입증된 가설은 이제 이론 체계 속에 포함된다. 이론은 여러 종류의 다른 관찰들을 같은 틀에서 해석할 수 있도록 하는 더 넓은 체계를 제공하며, 새로운 과학적 발견을 이루는 길잡이의 역할을 한다.



하지만 사회과학, 의학, 산업공학 등은 위처럼 하기에는 문제가 있기 때문에 아래 방법으로 데이터를 축적-분석한다.[4]

  1. 사례연구
    인간을 대상으로 하기 때문에 윤리적 제한에 걸리는 심리학, 의학, 사회과학 등은 사례연구를 주된 방법론으로 다룬다. 병에 걸린 환자 개개인에 대한 분석이나, 면접법, 참여관찰법 등을 통해 사회의 구성원 개개에 대한 정보를 수집하는 경우가 여기 해당한다. 그러나 이런 연구는 '일화적 연구'라 하여 성급한 일반화의 오류의 위험성을 비롯해 여러 논리적 문제가 있기 때문에 엄밀한 과학적 증거로는 받아들여지지 않는다.[5] 그러나 성공한 이론들을 비롯하여 무수한 가설의 원천이 되었기 때문에 아직도 사례 연구가 실행되고 있다.

  2. 통계학
    가설 연역 모형의 노드로는 들어가 있지 않으나, 실질적으론 넓은 의미에서 방법론의 일부로 취급된다. 간단히 설명하자면, 같은 분야를 연구하는 과학자 수백명이 수만번의 실험, 관찰을 하여 방대한 데이터를 축적하고, 이것을 통계분석하여 쓸모없는 데이터를 걸러내고 또 걸러내어 하나의 가설이나 이론을 만든다. 과학자들의 방대한 네트워크와 과학 공동체로 연구가 공동 진행되는 현대에 있어서, 통계학은 없어선 안될 요소다. 물론 통계는 상관관계에 대한 연구이기 때문에 곧바로 인과 관계로 확장시켜서는 곤란하다. '폭력적인 게임->폭력적 성향'라는 가설이 있다고 하자. 폭력적인 게임을 많이 하는 사람이 폭력적이라는 사실은 이미 많이 밝혀져 있다. 그러나 이것이 '저 가설이 맞다.'가 되는 것은 아니다. 왜냐하면 이 연구를 '폭력적인 사람→폭력적인 게임을 함'으로 해석할 수도 있기 때문이다. 따라서 이 경우에는 실험과 관찰을 통해 추가적으로 인과 관계를 검증해야 한다.


과학적 방법이 정확히 무엇이며, 과학적 방법이 어떻게 객관성과 합리성을 갖는지를 따지는 것은 과학철학의 고전적인 문제다. 과학철학의 핵심 질문은 '과학이란 무엇인가?'이며, 과학적 방법론은 바로 과학의 토대기 때문이다. 특히나 과학적 방법의 준수 여부는 유사과학을 가르는 척도가 된다는 점에서 주목을 받는다.

프랜시스 베이컨, 이마누엘 칸트, 논리 실증주의, 칼 포퍼, 토머스 쿤 등 쟁쟁한 철학자들이 모두 한번씩 해당 문제에 발을 걸친 바 있지만, 여전히 '과학적 방법이 무엇인가?'에 대한 합의된 견해는 없다. '과학적 방법'에 대한 상식적인 견해는 여러가지 강력한 반론에 직면하기 때문이다. 데이비드 흄이 제시한 귀납논증의 문제점은 그 고전적인 사례다. 칼 포퍼의 '반증주의' 등은 이런 갖가지 난제들을 해결하기 위해 20세기 중반에 제시된 나름의 해법이며, 그 나름의 난점에 부딪힌다.

과학자들은 대체로 이러한 논쟁에 관심이 없는 편이다. 과학자들은 철학적인 설명이 아니라 체험으로 과학적 방법론을 익히기 때문이다. 그러나 끈 이론이나 진화심리학 등의 '과학성'이 논란이 될 때에는 과학철학 논의가 대두되고는 한다. 끈 이론 대 포퍼라치원문.

인류 문명상으로는 근대로 가는 첫걸음으로 여겨지는 경우가 많으며, 과학적 방법에 대한 고찰이 계몽주의의 시작이라고도 말한다. 여기에서 말하는 과학적 방법은 주로 실험관찰을 사용하는 귀납적 방법과 크게 다르지 않다.(연역 역시 중요하다고 말한 베이컨 역시 주로 귀납적 방법을 말하고 있다.) 이 맥락에서는 중세의 연역적 방법과 신학적 방법과 구별되는 어떤 것을 의미하며, 현대의 과학적 방법론과는 약간 다른 것이라고도 할 수 있다. 어쩌면 이 단어 자체가 역사적으로 뜻이 변한 것으로도 보인다.

과학적 방법론에 대해서는 파인만의 강연 참조.

2.1. Ask Why? Ask How?[편집]

세간에 퍼져 있는, 과학이 '왜?'에 관한 학문이라는 인식은 겉보기와는 달리 상당히 논쟁적이다. 과학은 "왜?"가 아니라 "왜 안 돼?" 라고 한다. 제발 이런거 적지말자 포탈게임은 공상과학에 속한다

간단히 뉴턴의 만유인력 법칙을 생각해 보자. 이 법칙은 '어떻게' 사물들이 서로를 당기게 되는지(즉 어떤 질량을 가진 물체가 얼마 떨어져 있으면 얼마의 힘으로 다른 물체를 당기는지)는 알 수 있게 해 준다. 하지만 '왜' 그렇게 되는지를 설명하지 못한다. 애초에 뉴턴이 자신의 역학 지식체계의 결정체인 <프린키피아>에서부터 왜 이런 공식이 나오는 지는 알 필요 없다다고 표명한 걸 보면, 과학의 태동에서부터 왜가 중요한 적은 없었다고 할 수도 있다. 그리고, 근대적인 물리학의 태동을 낳았던 것이 뉴턴의 중력 이론이나 광학과 같은 연구들임에도, 아직도 물리학자들은 중력에 대해서 몇 걸음 더 나아간 '왜?' 를 설명하지 못한다. 뉴턴보다 진일보한 것은 일반상대성 이론 정도뿐, 아직도 중력자(graviton)는 관측되지 않았고, 양자 중력학(QGD, 결국은 4개 힘을 통일하는 이론)은 허공답보중이니까. 거기다가 그 이론들이 완성된다고 해도 여전히 중력자가 왜 생기는지, 그리고 중력자가 만들어지는 그 메커니즘은 왜 일어나는지는 설명하지 못하며, 여기서 설명한 질문들의 메커니즘이 밝혀지더라도 그 메카니즘은 대체 왜 일어나는지는 여전히 설명하지 못하게 된다.

하지만 그렇다고 마냥 과학이 '어떻게?'에 대한 학문이라고 하기도 애매한 것은, 학문이 깊이 들어갈 수록 '왜?'와 '어떻게?'의 구분이 점점 모호해진다는 점 때문. 일군의 물리학자와 수학자들이 찾고 있는 궁극적인 통합 이론을 설명할 수학은 현재 무엇에 대해 설명하는지조차 대부분의 비전공자들에게 있어 이해 불가능한 수준으로 치달아가고 있음을 생각하면 일반인들이 알아듣기 편한 비수학적인 언어로 간편하게 구분짓듯 자연의 궁극적인 진리를 "왜" 라고 나타낼수 있을 지도 의심스러울 뿐더러, 위의 뉴턴 말마따나 "말인지 아닌지도 구별 못하는 과학체계에서 굳이 왜 그런지 찾을 이유가 있나"가 어쩌면 맞는 말일 수도 있기 때문.

이와 관해서 아주 적절한 동영상이 하나 있는데 바로 1983년도에 리처드 파인만이 한 리포터와 전자기력에 대해서 논하는 인터뷰다. 리포터가 파인만에게 "왜 자석끼리 서로 맞대면 서로 달라붙거나 서로 멀어질려는 힘이 발생하느냐"라는 질문에 대해 파인만이 "왜 그런 현상이 일어나는가" 라는 질문에 답하는 게 얼마나 어렵고 힘든 일인지를 아주 쉽게 설명하는 동영상이니 한번 보도록 하자. 단 영어 실력이 좀 돼야 한다. 리포터를 우리 같은 일반인의 입장으로 이해하고 동영상을 보면 일반인들이 생각하고 있는 '과학'과 파인만처럼 정직하고 천재적인 물리학자가 생각하고 있는 '과학'이 서로 많이 다르다는 것을 알 수 있다. 어떻게 보면 현대 과학과 인간 지성의 한계를 일반인에게 쉽게 풀어내는 인터뷰다.[6]

또한 일반적인 언어로 "왜" 병에 걸리는가, "왜" 화산이 폭발하는가 등의 의문들에서 시작해 괄목할 만한 지식의 진전을 이룬 성과들은 분명히 "어떻게"만이 아닌 "왜"에서 시작된 질문들이었으며, 또한 거시적이거나 일반론적인 수준에서는 충분한 해답들을 내놓고 있음을 무시할 수 없다. 다만, 이러한 질문들은 "왜"와 "어떻게"가 동일한 의미로 사용 가능함을 주의하자. 해당 질문들에서 "왜"는 "어떠한 과정으로", 즉 "어떻게"와 동일한 의미이다. "왜" 병이 있는가, "왜" 화산은 있는가 등의 질문에는 답할 수 없으며, 현상의 생성과정은 설명 가능하지만 그 이유는 결코 설명할수 없어왔다. 질문의 시작은 "왜" 였더라도, 나온 답은 "어떻게"에 대한 답밖에는 없는 것이다.

또한 더 나아가 사회과학을 다룬다면, "왜"라는 질문은 할 수 있는 것을 넘어 아주 당연하며 꼭 해야만 하는 질문이 된다. 이 점에서 사회과학과 자연과학이 다소 다른데, 자연과학은 자연법칙의 근본적인 인과관계에 대해서는 논하지 않는 반면, 사회과학은 인간의 행동을 설명하는 학문이므로 그 근본목적을 인과관계의 규명에 둔다. 예를 들면 물리학자들은 왜 중력이 존재하는가에 대해 탐구하지 않고 그러할 필요도 없으나, 경제학자들은 왜 전세계적 불황이 발생하는가에 대한 연구를 해야 한다.

그러면 과학, 나아가 물리학에서 '왜?', '어떻게?'가 의미가 없는가? 절대로 아니다. 오히려 과학에서 '왜?', '어째서?'라고 탐구하는 과정은 매우 중요하다. 물론, 물리학에서 '왜?'라는 질문을 던졌을 때, 인류원리 등과 같이 철학적으로 넘어가 버리는 경우도 다수 존재하나 그 필요성까지 말살되어 버리는 것은 더더욱 아니다. 무엇에 대해 '왜?'라는 것은 그 무엇을 더 잘 이해하기 위한 도구와 마찬가지이다. 위에서 언급되었던 상대성이론 또한 '왜?', '어째서?'라는 물음을 통해 발전되었으며, 과학의 내용을 '왜?'라는 질문으로 정리할 수 없는 것은 맞지만 '왜?'가 과학을 발전시킬 수 있는 원동력이기도하다. 자연현상에 대해 관심이 없었다면, 만유인력의 법칙은 과연 나올 수 있었는가? 상식적으로 그럴 수 없다. 결론적으로 과학이 '왜?'에 관한 학문이 아닐지는 몰라도, 더 깊이있고, 새로운 과학을 탄생시키기 위한 과정이 바로 '왜?', '어떻게?'라는 질문에서부터 비롯된다. 즉, 이러한 질문들이 절대로 가치가 없는 것이 아니다. 오히려 과학에 흥미가 있고, 과학과 관련한 직업이나 공부하는 입장에서라면, 당연히 이러한 사고능력을 갖추어야 할 것이다.

3. 반증주의[편집]

대한민국의 수많은 까마귀들을 검사해서 모든 까마귀는 검은색이라는 명제를 도출했다면, 이는 과학적 방법이라고 할 수 있을까? 이외의 지역에도 까마귀가 살고 있는지 분명하지 않고, 반례가 발견되지 않았다면 그 명제는 과학적 방법으로 뒷받침되었다고 할 수 있다. 그러나 세계 다른 지역에도 까마귀들이 살고 있으며, 대한민국의 환경이 까마귀의 색에 영향을 줄 개연성이 있다면 이는 더이상 과학적 방법론으로 충분히 뒷받침되었다고 할 수 없다. 연구 내용이 지역적으로 편향되었기 때문이다. 만약 연구의 범위를 넓혀서 전세계의 까마귀를 광범위하게 조사했고 그 대상이 지역이나 기타 다른 요소로 편향되었다고 볼 이유가 없다면, 다른 말로 하면 다른 편향적인 요소를 배제했다고 인정할 수 있다면, 해당 명제는 다시 과학적 방법으로 뒷받침한 것이 된다.

물론 이는 절대적으로 옳다는 것을 의미하지 않는다. 만약 까마귀의 색에 영향을 줄 수 있는, 그 때까지 생각하지 못한 다른 요소가 발견되어 해당 연구의 대상이 편향되었다는 지적이 나온다면, 다시 "모든 까마귀는 검은색이다." 라는 명제는 과학적으로 충분히 뒷받침되지 못한 것이 된다. 그리고 그 후 흰 까마귀의 존재가 발견된다면 해당 명제는 당연하게도 과학적으로 반박된 것이 된다.

즉, 정확하게 같은 방식으로 연구를 수행했더라도 이미 다른 요소가 발견되었거나 흰 까마귀의 존재가 발견되었는가 여부에 따라서 그 연구는 과학적 방법론을 따른 것이 될 수도 있고 따르지 않은 것이 될 수도 있다. 과학적 방법론은 "현재에 있어서 가장 타당한 명제"임을 입증하는 것이므로, 주변 상황에 따라서 그것이 '가장 타당한' 명제임을 입증한 것인지 아닌지는 충분히 달라질 수 있는 것이다.

'반증'이 과학적 방법론에서 가장 강력한 무기 중 하나가 되는 것도 이 때문이다. 특정 현상을 설명할 수 있는 이론이 A와 B가 있을 때, B가 반증된다는 것은 그만큼 A가 '가장 타당한' 것이 될 가능성을 높여주기 때문이다.

예측과 어긋난 이론이라도, 여전히 폐기되지 않기도 한다. 아이작 뉴턴의 역학 이론의 예측이 수성의 실제 움직임과 어긋나는 것이 알려졌을 때, 과학자들은 뉴턴 역학을 폐기하기보다는 수정을 통해서 뉴턴 역학에서 예측한 모든 것과, 수성의 움직임을 마찬가지로 예측할 수 있는 이론을 만들기 위해서 노력했다. 이후 상대성 이론을 만든 알베르트 아인슈타인은 자신의 이론을 사용해서 수성의 근일점 이동 현상을 오차가 거의 없이 멋지게 설명했고, 이는 상대성 이론이 인간의 시간과 공간에 대한 인식을 송두리째 뒤집어 버린 위대한 이론으로 급부상하는 계기 중 하나가 된다. (또 하나의 계기는 아서 에딩턴에 의해 관측된 중력 렌즈 효과)

'반증'이 중요한 또다른 이유는 '가장 타당한' 명제라는 것은 현재까지 밝혀진 것을 가장 그럴듯하게 설명할 뿐만 아니라 아직 밝혀지지 않은 새로운 사실을 '예언'할 수 있다는 의미도 포함하기 때문이다. 예컨대 "2000년에는 일요일마다 비가 왔다"는 것은 단순히 관찰의 결과일 뿐이며, 우연의 소치일 수 있다. 일요일마다 비가 오는 것은 우연으로는 매우 낮은 확률로 일어나는 사건이겠지만, 그런 식으로 적용 가능한 우연은 수없이 많기 때문에 그 중 하나가 적중하는 것은 얼마든지 있을 수 있는 일이기 때문이다. 그러나 만약 "일요일마다 비가 온다"는 명제를 도출하고 "2010년에도 일요일마다 비가 올 것이다" 라고 예언하여 이를 적중시킨다면, 이는 "2000년에는 일요일마다 비가 왔다"보다 훨씬 가치있는 명제가 될 것이며, '일요일'과 '비가 온다'는 사실 사이에 실질적인 인과관계가 있을 가능성이 훨씬 높다고 할 수 있을 것이다. 적어도 반례가 발견되기 전까지는 그렇다.

즉 실험 결과에 의해서 입증할 수도 반증할 수도 있는 내용을 예언할 수 있는 명제가 훨씬 가치가 높은 것이다. 그리고 실제로 그러한 명제는 수도 없이 많이 제시되고 있기 때문에 실질적으로 거의 모든 분야에서 반증 가능하지 않은 명제는 과학적으로 가치가 없다.

4. 여담[편집]

문명시리즈에서는 시리즈에 따라 약간의 차이가 있지만 대개 이 기술을 기점으로 근세근대의 구분이 명확해 지는 편이다. 또한 그에 따른 어드벤티지가 상당히 큰 기술이기도 하다. 문명 3에서는 진화론 불가사의를 건설할 수 있으며 이를 건설하면 무료기술을 두개씩이나 제공해준다. 문명 4의 경우에는 이 기술을 연구하면 수도원 퇴보, 알렉산드리아 도서관, 파르테논 신전, 아르테미스 신전 퇴보의 단점이 존재하지만 석유를 발견할 수 있으며, 산업 시대로 발전할 수 있는, 테크트리의 길목이다. 문명 5에서는 과학적 이론(Scientific Theory)이란 이름으로 등장하며 과학력을 대폭 늘려주는 공립학교를 만들 수 있기 때문에 공장을 지을 수 있는 산업화와 함께 산업시대를 여는 가장 중요한 연구 중 하나이다.

라이즈 오브 네이션즈대학 연구 3단계의 기본 이름이기도 하다.

해리 포터와 합리적 사고의 구사법이라는 제목의 팬픽의 22화 제목이기도 하다.

5. 관련 항목[편집]


[1] 상관관계를 입증하는 데 있어서 좋은 방법은 통계적 방법이다. 과학적 방법에도 통계학적 검정의 논리가 반영되어 있으며, 통계학에서도 회귀분석(regression analysis) 같은 것은 인과성을 가정하고 분석을 실시하므로 양자 간에 완벽하게 선긋기를 할 수는 없을 것이다.[2] 물론 옛 사람들 중에서도 나름대로 초보적인 수준의 과학적 검증을 시도한 사람들이 없었던 것은 아니다.[3] 다만, 모든 과학에서 실험이 이루어지는 것은 아니며, 이 경우 시뮬레이션, 관측, 통계 등 기타 준실험적 방법이 대신 쓰인다.[4] http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=129290 p30-33[5] 그래서 정신분석학은 과학으로 받아들여지지 않는다. 대개 다른 연구 없이 사례 연구들만 근거로 사용하기 때문이다.[6] 왜 늦었는가 → 병원에 갔다 → 왜 → 다리를 다쳐서 → 왜 → 남편이 넘어진 걸 봐서 → 왜 → 빙판에 넘어져서… 만으로 생각하면 끝도 없이 이어진다.