과학적 방법

科學的 方法
scientific method.

1 소개

자연 법칙을 포함하여 현실에 존재하는 수많은 변인(variable)들을 관찰하고, 필요하다면 실험을 통해 그들 사이의 인과관계(causality)를 발견하고, 이를 통하여 얻어진 지식들을 축적하거나 대체하는 방법이다. 자연현상의 원리와 이치를 입증하는 데 있어서는 현재까지 인간이 발명한 방법들 중에서 가장 합리적이다.[1][2]

과학적 방법이 정립되기 전까지 인류는 인과관계의 입증을 위해서 직관적 통찰, 개인의 경험, 옛 사람들의 지혜[3] 등에 의존해 왔다. 그러나 일단 과학적 방법이 발명되자, 기존의 인류가 옳다고 받아들였던 수많은 "상식" 들이 믿을 만하지 못하다고 결론내려졌고 곧 극복되었다.

2 과학적 방법론

일반적으로 기본적인 과학 교과서(일반물리학, 일반생물학 등)의 첫 부분에는 과학의 연구가 어떻게 이루어지는지, 즉 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. 그냥 과학교과서의 머릿말 정도로 취급해버린다. 입시위주교육의 폐해.

일반적으로 널리 받아들여지는 과학적 방법론의 요소는 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.
  1. 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.
  1. 실험(Experiment)[4]
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.
  1. 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.

한편 일부 사회과학 분야에서는 연구가 아래와 같은 순으로 진행된다고 한다.단순히 위처럼 하기에는 비용같이 여러 문제가 있기 때문이다.[5]

  1. 사례연구
심리학, 의학에서는 사례연구가 많이 이루어진다. 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.[6] 그러나 성공한 이론들을 비롯하여 무수한 가설의 원천이 되었기 때문에 아직도 사례 연구가 실행되고 있다.
  1. 상관연구
통계적으로 두 요소 사이에 연관성이 있는지 분석하는 연구이다. 사례연구에서 가설을 제시한다면 상관연구에서 그것을 검증한다. 주로 통계 자료를 분석하여 얻어지기 때문에 일반화될 가능성도 높아진다. 다만 이 연구는 말 그대로 상관에 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 위의 방법처럼 실험을 통해 추가적으로 인과 관계를 검증해야 한다.

3 과학철학적 관점

한편, 이러한 과학적 방법이 정확히 무엇이며, 구체적으로 어떻게 적용되고 어떤 방법으로 객관적이고 합리적인 결과를 이끌어내는지에 대해 철학적으로 많은 주장들이 제기되어 왔다. 대표적인 예로 프랜시스 베이컨의 벌의 비유를 통한 귀납+연역법, 칸트의 선험적 종합 판단, (비록 이제 묻혔지만)논리 실증주의자와 논리 경험주의자들의 입증 이론, 칼 포퍼의 반증 이론, 파이어아벤트의 anything goes로 대표되는 아나키즘적 인식론, 토머스 쿤의 패러다임 이론(자기 자신도 그 뜻을 모르고 쓴 말인것 같기도 하지만...)[7][8]등이 있다.

과학 철학은 과학이 어떻게 실험 및 그 결과와 이론을 바라보고 이를 개선하며 세상이 돌아가는지 설명할지에 대해서 다루는 학문이다. 즉, 과학이라는 학문 연구에 공통적으로 적용되는 과학적 방법론에 대해 연구함으로서 '과학이란 무엇인가?'라는 핵심 질문에 대답하려는 시도라고 할 수 있다.

예를 들어 논리실증주의에 토대를 둔 귀납이론은 자연에서 온갖 현상들을 모아 거기에서 보이는 규칙성으로 이론을 만든다는 주장이고(귀납은 진리를 밝힐 수 없다는 문제가 있다)[9], 칼 포퍼에 의해 발전된 반증주의는 특정한 한 가설을 만든 뒤 거기에 많은 반증을 시도해 반증된 가설을 도태시킨다는 식으로 과학 발전을 설명한다(실제 과학의 역사에서는 나중에 성공적으로 밝혀진 이론들이 반증된 경험이 있다는 문제가 있다). 이들 두 가설은 과학의 객관성과 합리성을 옹호했다는 점에서 공통점을 가지지만 토머스 쿤은 과학은 과학자 사회에 의해 합의된 '패러다임'이라는 사고의 틀에서 이루어지는 과정이라고 주장하여 과학적 방법론에 대한 기존의 견해에 혁명적인 변화를 불러일으켰다 할 수 있다.[10]

과학자들은 대체적으로 이러한 논쟁에 대해 관심이 없는 편(...)이나, 기본적인 입장은 귀납에 의거한 검증 이론과 연역적인 반증 이론의 절충에 가깝다.[11] 거의 모든 과학자들은 과학의 사실성과 가치 중립성을 확고히 믿으며, 이는 바로 두 이론의 공통점이기도 하다. 쿤의 패러다임 이론에 대해서는 패러다임의 공약 불가능성을 상대주의적이라고 비판하거나 "과학 혁명? 그거 당연한 소린데 왜 저 난리임?"하는 반응을 보이는 것이 일반적이다.

철학 자체로 볼 때에 배우려면 무조건 미국으로 가야만 하는데다가 요즘은 좀 인기가 사그러진 학문이다. 과학적 방법론이 무엇인지에 대해서 '주로' 다루는 학문인 과학철학은 과학자들은 배우지 않는다. 그도 그럴 것이, 과학자들은 철학적인 설명이 아니라 체험으로 과학적 방법론을 익히기 때문이다. 한편 요즘은 과학 일반에 대한 연구가 과학철학에서 과학사회학, 그 중에서도 과학지식사회학(Sociology of Scientific Knowledge)로 넘어간 경향이 있다.[12]

과학적 방법론의 핵심은 하나의 이론이 다른 이론들보다 현상을 더 잘 설명하거나, 최소한 동등하게 설명할 수 있다는 것을 입증하는 것이다. 수많은 사례들을 검사하여 귀납적인 방식으로 명제를 도출했다고 해 보자. 그 귀납적 결과에 대해 다른 방법으로 해석하는 것이 더 타당하다고 볼 이유가 없다면 이는 과학적 방법이라고 할 수 있다. 적어도 반례가 발견되기 전까지는 그렇다.

예컨대 대한민국에 사는 수많은 까마귀들을 검사해서 "모든 까마귀는 검은색이다." 라는 명제를 도출했다면, 이는 과학적 방법이라고 할 수 있을까? 만약 대한민국 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.

단, 때때로 아직 과학적으로 충분히 규명되지 않는 것을 설명할 때는 현재까지 나온 모든 이론들이 어떤 방식으로든 반증되어 버린 경우도 있다. 부분적으로 반증된 이론이라도, 어쨌든 그것보다 나은 이론이 없다면 여전히 과학적인 이론으로 인정받기도 한다. 예컨대 뉴턴의 역학 이론의 예측이 수성의 실제 움직임과 어긋나는 것이 알려졌을 때, 과학자들은 대뜸 뉴턴 역학을 폐기하기보다는 다른 내행성의 존재나 중력 이론의 수정을 통해서 '뉴턴 역학에서 설명한 모든 것을 마찬가지로 설명할 수 있으면서도 수성의 움직임도 설명할 수 있는' 이론을 만들기 위해서 노력했고, 이는 상대성 이론으로 이어졌다.[13]

'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.[14]

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 분야예서 반증 가능하지 않은 명제는 과학적으로 가치가 없다.

과학적 방법론에 대해서는 파인만의 강연 참조.

아무튼 인류 문명상으로는 근대로 가는 첫걸음으로 여겨지는 경우가 많으며, 과학적 방법에 대한 고찰이 계몽주의의 시작이라고도 말한다. 물론 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.


요약하자면, 진실을 알아낼 능력이 없으니, 진실이 아닌 것을 제외하는 것이 과학적 방법이다.
그러므로 종교 등이 반증가능성이 없어 과학적 방법이 적용될 수 없다고 해도, 그것이 거짓이라는 보장도 없다는 것에 주의하자. 다만 현실적인 관점에서 볼 때, 반증가능성이 없는 가설을 거짓으로 취급하는 것이 여러모로 이득이므로,[15] 과학적 방법이 적용될 수 없는 것들을 사이비로 취급하는 것일 뿐이다.

4 여담

문명시리즈에서는 시리즈에 따라 약간의 차이가 있지만 대개 이 기술을 기점으로 근세와 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 네이션즈의 대학 연구 3단계의 기본 이름이기도 하다.

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

5 관련 항목

  1. ↑ 참고로 상관관계를 입증하는 데 있어서 가장 좋은 방법은 통계적 방법이다. 물론 과학적 방법에도 통계학적 검정의 논리가 굉장히 밀접하게 반영되어 있으며, 통계학에서도 예컨대 회귀분석(regression analysis) 같은 것은 인과성을 가정하고 분석을 실시하므로 양자 간에 완벽하게 선긋기를 할 수는 없을 것이다.
  2. ↑ 인과관계를 파악하는 데 하나의 방법을 택하라면 확실하게 가장 현명한 선택이라는 의미이다. 진리나 사실 전반을 파악하는데 항상 최선의 방법이라는 것은 아니니 유의할 것.
  3. ↑ 물론 옛 사람들 중에서도 나름대로 초보적인 수준의 과학적 검증을 시도한 사람들이 없었던 것은 아니다.
  4. ↑ 다만, 모든 과학에서 실험이 이루어지는 것은 아니며, 이 경우 시뮬레이션, 관측, 통계 등 기타 준실험적 방법이 대신 쓰인다.
  5. ↑ [1] p30-33
  6. ↑ 그래서 정신분석학은 과학으로 받아들여지지 않는다. 대개 다른 연구 없이 사례 연구들만 근거로 사용하기 때문이다.
  7. ↑ 실제로 자기의 저작에서 정의가 계속 바뀌는 경향이 있다. 그렇게 바뀐 이유가 도대채 패러다임이 뭐냐는 질문에 자신도 제대로 답을 못할 때가 많아서(...).
  8. ↑ 단, 차후에 쿤이 제대로 설명한 바에 따르면, 패러다임이란 "과학 공동체 내에서 공유되는 기호, 모형, 가치, 범례들에 대한 총체적인 복합체"라고 불릴 수 있다고 한다.
  9. ↑ 가령 태양은 지금까지 반드시 떠 왔으므로, 내일도 반드시 뜰것이다 라는 귀납적 추론에 근거한 명제이다. 대부분의 사람이 직관적으로 틀렸다는 걸 알지만, 귀납적 추론방식으로 명제를 파악한다면 문제가 없어보인다. 단적인 예를 들었지만, 이처럼 귀납법은 항상 옳은 답을 가져오지 않는다
  10. ↑ 물론 현재로서는 더 이상 학계의 중심적인 연구 주제로는 취급받지 않는 면이 있지만 그것은 오히려 쿤과 패러다임을 팔 만큼 팠기 때문이라고 해석하는 것이 타당하다.
  11. ↑ 앞서 언급한 표준적인 과학적 방법론에서도 귀납과 연역(반증)의 요소가 모두 들어간다.
  12. ↑ 과학철학은 최근 들어서 '생물철학', '물리철학' 등 개별과학의 철학이 부각되면서 과학적 방법론 등 과학 일반에 대한 연구는 상대적으로 줄어들었다. 과학철학이 비주류로 밀려났다기보다는 연구 주제가 바뀌었다고 보는 편이 옳을 것이다.
  13. ↑ 상대성 이론 자체가 수성의 움직임을 설명하기 위해서 나왔다는 것은 아니다. 하지만 상대성 이론을 창시한 알베르트 아인슈타인은 자신의 이론을 사용해서 수성의 근일점 이동 현상을 오차가 거의 없이 멋지게 설명했고, 이는 그 당시까지는 일종의 애드 호크 가설로 취급받던 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)
  14. ↑ 물론 반례가 발견되더라도 52번의 일요일 중에서 한두 번을 제외하고는 역시 비가 온다고 하면 해당 명제는 여전히 과학적으로 의미가 있다고 할 수 있을 수도 있다. 비가 안 온 이유에 대한 가설을 세워 연구를 수행할 수 있으니까.
  15. ↑ 예를 들어 종교의 경우, 실제로 신이 존재하는 종교와, 사기꾼이 만든 사이비 종교를 구별할 수 없으므로, 그 어떤 종교도 인정하지 않는 것이 사기로 인한 피해를 막는 최선의 방법이다.