최근 수정 시각 : 2019-11-10 09:27:04

과학적 방법

1. 개요2. 과학적 방법론
2.1. "왜?", "어떻게?"
3. 반증주의
3.1. 문제점
4. 여담5. 관련 항목

1. 개요

科學的 方法
scientific method.

'과학적 방법이 무엇인가?'에 대한 합의된 견해는 없다. '과학적 방법'에 대한 여러 견해는 각각 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

기본적인 과학 교과서(일반물리학, 일반생물학 등)의 첫 부분에는 과학적 방법론의 개요를 설명한다. 미국 AP과정에서는 거의 매년 배울 정도로 중요하지만 대한민국 교육과정에서는 어째선지 중학교 1학년 과학에서 한 번 다루고, 고등학교 과정에서는 생명과학Ⅰ에서만 다룬다는 안습한 일면이 있다. 매우 중요한 부분임에도 불구하고 교사 이외 아무도 중요시 하지 않는 것이 한국 현실.

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.
지네가 여느 때처럼 아름답고 복잡하게 수없이 많은 발을 놀리고 있었다. 그러자 한 개미가 와서 지네에게 물었다. "정말 그 춤이 아름답구나! 그런데 어떻게 그렇게 수많은 발을 다 완벽하게 조종하는거야?" 지네는 잠시 멈춰서 생각하고는, 결국 "나도 모르겠어"라고 답할 수 밖에 없었다. 그리고 지네는 자기의 발을 가만히 보며 다시 춤을 추려고 했다 -- 근데 더이상 춤을 출 수가 없었다!
전직 물리화학자였던 과학철학자 Janet D. Stemwedel에게 물리화학 대학원생 시절 지도교수가 들려준 우화
그러나 초끈 이론이나 진화심리학 등의 '과학성'이 논란이 될 때에는 과학철학 논의가 대두되고는 한다. 끈 이론 대 포퍼라치 원문.

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. "왜?", "어떻게?"

흔히 과학의 본성에 대해서는 다음과 같은 경구가 인용되고는 한다.
과학은 "어떻게?(How?)"라는 질문에 대한 답을 줄 수 있을 뿐, "왜?(Why?)"라는 질문에 대해서는 답을 주지 않는다.

이런 경구가 널리 받아들여진 맥락은 뉴턴 만유인력의 법칙을 제안했을 때의 배경에 있다. 중력 현상 자체는 고대부터 물리학적 탐구의 대상이었고, 뉴턴은 < 프린키피아>에서 질량을 가진 물체들이 '어떻게' 서로를 당기는지, 즉 어떤 질량을 가진 물체가 얼마 떨어져 있으면 얼마의 힘으로 다른 물체를 당기는지를 알 수 있는 법칙을 성공적으로 제안했다.

그러나 라이프니츠는 뉴턴의 이론이 중력 현상을 일으키는 '물리적 기제/메커니즘'을 제시하지 못한다는 점에서 불완전하다고 비판했으며, 이러한 지적은 일반 상대성 이론이 확립된지 오래인 21세기 초 현대까지도 중력자가 발견되지 않았고 양자중력(quantum gravity)이 규명되지 않은 이상 유효하다. 그리고 설령 그런 의문이 해소된다 하더라도 "중력자는 왜 생기며 그 메커니즘의 까닭은 무엇인가?"라는 추가적 질문이 생긴다.

이런 지적에 맞서 뉴턴은 '물리적 메커니즘'을 제안하는 것은 스스로의 "실험 철학"에서 어디까지나 부차적인 문제이며,[6] 그저 귀납추론에 의거해 만유인력이 어떻게 작용하는지를 기술하는 것만으로도 충분하다는 반론을 펼쳤다. '물리적 메커니즘'을 제안하는 것이 "왜?" 질문에 대한 답임을 고려할 경우, 이런 뉴턴의 대답은 이후 과학자 사회에서 "과학은 '왜?'가 아닌 '어떻게?' 질문에 대해서 대답할 따름이다"라는 신념의 기틀이 되었다.

다만 과학은 분명히 아주 많은 '왜?' 질문에 대해 만족스러운 답을 제공한다.
Q. 환자가 독감에 걸린건가요?
A. 인플루엔자 바이러스에 감염되었기 때문입니다.
해당 사례는 "왜?"라는 질문이 바로 원인을 묻는 것이라는 것을 전형적으로 보여준다. 일찌기 아리스토텔레스 4원인론을 통해 "왜?"라는 질문이 어떻게 여러 방식으로 분석될 수 있는지를 보인 바 있다. 이처럼 "과학적 설명", " 인과", " 법칙" 같은 여러 개념은 서로 복잡하게 얽혀 있으며, 그 자체로서 깊은 논쟁의 대상이기도 하다.

더불어 과학 이론이 아주 깊이 발전한 현대에 '과학적 설명'은 '왜?'가 됐건 '어떻게?'가 되었건 난해할 수 밖에 없다. 이를테면 리포터의 "왜 자석끼리 서로 맞대면 서로 달라붙거나 서로 멀어질려는 힘이 발생합니까?"라는 질문에 대한 리처드 파인만 1983년 인터뷰는 '명쾌한 대답'을 주는게 얼마나 어려운지를 잘 보여준다. 요컨대 현대 과학 이론을 충분히 이해하지 않고서는 "왜?" 대답에 대한 대답 자체를 이해할 수 없으며, 곧 일반인 수준에서 얻을 수 있는 '명쾌한 대답'은 한계가 있기 때문이다.

더불어 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.

더불어 설령 "왜? 질문에 대한 대답이 과학, 나아가 물리학의 핵심적 과제가 아니라도 가정하더라도 "왜?" 질문이 무의미한 것은 결코 아니다. 물리학에서 '왜?'라는 질문을 던졌을 때 인류 원리 등과 같이 철학적으로 넘어가 버리는 경우도 없지 않지만, "왜?", "어째서?" 같은 질문은 과학을 발전시킬 수 있는 원동력이기도 하기 때문이다. 자연현상에 대해 관심이 없었다면, 만유인력의 법칙은 과연 나올 수 있었을까? 요컨대 과학이 '왜?'에 관한 학문이 아닐지는 몰라도, 더 깊이있고, 새로운 과학을 탄생은 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

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.

3.1. 문제점

그러나 반증주의는 언뜻 보기엔 완벽한 방법론 같지만 사실 그것 만으로 과학적 연구방식을 설명하기에는 내부적으로 여러가지 난점이 있기에 완벽하지는 않다.

1. 반증주의에 의하면 과학적 지식은 결코 확증 되거나 입증될 수 없다. 결국 참은 없으며 오직 반증만 가능하다 .즉, 과학이론이란 확증되는 것이 아니라 언제든지 논박될 수 있는 가설이 되어 버린다.

2.. 감각을 통한 '관찰'은 자명해보기지만 많은 부분에서 관찰자가 먼저 가지고 있던 이론에 의존하며 곧 관찰의 결과는 결코 중립적이지 않다.

3.. "상반되는 현상을 모두 설명할 수 있다는 점이 이론의 난점이 될수 있는가?" 그렇게 친다면 사과와 같은 물체가 땅에 떨어지는 현상도 물체가 지구로 떨어지지 않고 지구를 도는 현상도 설명할수 있는 뉴턴역학과 중력의 법칙은 어떤가? 이론이 너무 정확하기 때문에 반증이 되지 않을 수도 있는 것이고 애초의 이론의 보편성이란 과학의 이론이라면 추구해야 될 바가 아닌가?

4. 현실의 과학 실험이나 테스트 상황은 반증주의가 간단히 제시하는 것과 다르게 무척이나 복잡하다. 가설과 실험의 결과가 달리 나왔을때 정말 가설이 틀린 것인지 아니면 다른 무엇 때문인지를 판단하기 어렵다. 예컨데 2번과 같이 관찰의 결과란 이론과 판단에 의존하기 때문이다.

5. 현실의 과학의 연구 발전과 너무 상반된다. 애초에 반증주의가 충실히 지켜지면 과학은 발전할 수가 없다. 현실은 관찰 결과가 서로 상반되어 보이는 현상들로 가득차있기 때문에 이론이 제시되자마자 모두 패기되어야 하기 때문이다.(이런 상황에서 과학자나 관찰자가 자신의 이론으로 서로 상반되는 현상을 설명하기 위해 여러 부연 설명들을 덧붙여 가며 체계와 세계관이 세워지고 그것이 순식간에 전환되며 바뀌기도 하며 과학이 발전하게 되는데 그것이 토머스 쿤이 제시한 '패러다임 이론'이다.)

이외에 여러 난점들이 20세기 중반이후 제시되면서 반증주의도 상당부분 설득력을 잃고 과학철학이란 여러 상반되고 다양한 문제의식과 접근법이 존재하는 복잡한 분야가 되었다.

4. 여담

문명 시리즈에서는 시리즈에 따라 약간의 차이가 있지만 대개 이 기술을 기점으로 근세 근대의 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 네이션즈 대학 연구 3단계의 기본 이름이기도 하다.

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

5. 관련 항목


[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] 다만 뉴턴 본인은 이후로도 계속 '중력의 메커니즘'에 대한 개인적인 나름의 가설들을 꾸준히 제안했다.