과학적 방법: 두 판 사이의 차이

과학적 방법은 귀납적이며 경험적인 [[진리]]를 추구한다. 따라서 과학적 방법으로 얻어진 지식은 [[철학]], [[종교]], [[수학]] 등 다른 영역에서 다루는 진리와 뚜렷이 구별된다.

[[파일:Houghton GC5 R4947 572i - Opticæ thesavrvs.jpg|thumb|1572년 라틴어판 《광학의 서》의 삽화.<br />빛의 반사와 무지개를 설명하고 있다. ]]

{{인용문|빛은 어떠한 방식으로 투명한 물체를 통과하는가? 빛은 투명한 물체 속을 직진한다. … 우리는 이것을 《광학의 서》에 적힌 방법으로 밝힐 수 있다.… 어둡고 먼지가 날리는 방에 작은 구멍을 통해 빛이 들어오는 것을 관찰하면 빛이 직진한다는 것을 알 수 있다. | 이븐 알하이삼<ref name="Alhazen">Alhazen, translated into English from German by M. Schwarz, from "Abhandlung über das Licht", J. Baarmann (ed. 1882) ''Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft'' Vol '''36''' - 1974년판(영문) 136쪽에서 재인용 </ref>}}

1021년, 알하이삼은 빛이 직진한다는 것을 추측이 아닌 관찰을 통해 증명하였다. 이것은 최초로 과학적 방법을 사용하여 자연 현상을 설명한 기록 가운데 하나이다.<ref> Sambursky(1974, p.136)에서 인용</ref> 이븐 알하이삼의 《광학의 서》(1021년)는 동일 [[매질]]에서 빛이 직진한다는 것을 기록하고 있다. 이 책은 훗날 유럽에서 [[라틴어]]로 번역되었고 자연 과학 발전에 큰 영향을 주었다.<ref>하워드 R. 터너, 정규영 역, 《이슬람의 과학과 문명》, 르네상스, 2004년, ISBN 89-90828-05-8, 259-260쪽.</ref>

1638년, [[갈릴레오 갈릴레이]]는 《새로운 두 과학에 관한 수학자의 대화》({{llang|it|Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze}})에서 [[자유낙하]]하는 [[물체]]에 대한 가설을 입증하는 실험의 중요성을 보여주었다.<ref> Galilei, Galileo (M.D.C.XXXVIII), Discorsi e Dimonstrazioni Matematiche, intorno a due nuoue scienze, Leida: Apresso gli Elsevirri, ISBN 0-486-60099-8, Dover reprint of the 1914 Macmillan translation by Henry Crew and Alfonso de Salvio of Two New Sciences, Galileo Galilei Linceo (1638). Additional publication information is from the collection of first editions of the Library of Congress surveyed by Bruno 1989, pp. 261–264. </ref>

과학적 방법을 정형화하는 데는 많은 어려움이 있었다. 과학사가이자 박물가였던 [[윌리엄 휴얼]]은 《귀납적 과학의 역사》({{lang|en| ''History of Inductive Science'' }}, 1837년) 와 《귀납적 과학의 철학》({{lang|en|''Philosophy of Inductive Science'' }}, 1840년)에서 , 과학적 방법의 각 단계를 정립하는 것에는 경험을 바탕으로 한 것뿐만 아니라, 그 경험을 추상화하는 '발명, 총명함, 천재성' 이 모두 필요하였다고 적고 있다.<ref>"...the statement of a law—A depends on B—always transcends experience." — Born(1949, p. 6)</ref> 경험적 방법에 의해 새로운 지식을 획득하는 방법은 [[과학 혁명]] 기간을 거쳐 강화되었다.<ref name="Alhazen"/> [[아이작 뉴턴]]의 [[고전 역학]] 수립과 [[라부아지에]]의 [[산소]] 발견, [[찰스 다윈]]의 [[진화]] 이론, [[그레고어 멘델]]의 [[멘델의 유전법칙|유전 법칙]] 발견 등은 과학적 방법으로 새로운 지식을 발견한 대표적인 사례이다.<ref>곽영직, 《자연과학의 올바른 이해》, 학문사, 1995, ISBN 89-467-5151-7, 3장 과학혁명과 근대의 자연과학 </ref>

[[루트비그 플렉]]은 이러한 잘못된 인지가 인간이 갖는 [[자기 실현적 예언]] 심리 때문이라 설명한다. 즉, 인간은 기존에 갖고 있는 믿음 때문에 관찰된 사실을 혼동하거나 잘못 해석할 수 있다는 것이다. 이는 가설의 수립과 실험에도 반영될 수 있다.<ref>The Genesis and Development of a Scientific Fact, (edited by T.J. Trenn and R.K. Merton, foreword by Thomas Kuhn) Chicago: University of Chicago Press, 1979.</ref> [[스티븐 제이 굴드]]는 《인간에 대한 오해》에서 인종적 편견 때문에 뇌의 용량 측정과 같은 실험에서 잘못된 가설과 실험이 진행된 사례를 제시하고 있다.<ref>김동광 역, 《인간에 대한 오해》, 사회평론, 2003, ISBN 89-5602-352-2</ref> 이 때문에, 가설을 검증하기 위한 [[실험]]은 [[실험군과 대조군]]에 대한 조건 통제를 명확히 하여 편견의 개입을 차단하여야 하며, [[과학계]]의 다른 연구자들이 이를 검증할 수 있도록 하여야 한다. [[필트다운 인]] 조작 사례는 실험에 대한 다른 연구자의 접근을 통제할 경우 과학적 사기가 일어날 수 있다는 것을 보여주는 사례이다.<ref>[http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?todo=view&atidx=0000029978 인류화석 조작극 필트다운 사건 (하)], 사이언스타임즈, 2009-2-5 </ref>.

과학적 방법은<ref>Galileo(1638, pp. v-xii,1–300)</ref> '지식 순환' 으로 불리는 기본 요소들의 [[반복]]<ref>Brody(1993, pp. 10–24) - '지식 순환'은 최초의 모형에서 출발하여 제반 순환 과정을 거쳐 모형을 개선하고 최적화되도록 하는 것이다.</ref> [[귀납]], 끼워 넣기, 또는 [[순서도]]의 일부를 이루는 [[부분 순서]]의 반복 등으로 이루어진다. 20세기 이후 일반적으로 정착된 과학적 방법인 [[가설 연역 방법]]은 네 가지 기본 요소로 이루어져 있다.<ref>Jevons(1874, pp. 265–6)</ref><ref>pp.65,73,92,398 —Andrew J. Galambos, ''Sic Itur ad Astra'' ISBN 0-88078-004-5(AJG learned scientific method from Felix Ehrenhaft</ref> 즉, 다루는 주제를 정의하고 측정 단위를 결정하며 연구 대상을 관찰하고 측정하는 '''특성화'''<ref>"물리학의 기초는 … 경험이다. 이것은 … 매일 경험하는 것이라 할지라도 우리가 주의를 기울이지 않는다면 발견할 수 없다. 이것들의 정보를 모으는 것을 '관찰'이라고 한다." —한스 크리스티안 외르스테드("First Introduction to General Physics" ¶13, part of a series of public lectures at the University of Copenhagen. Copenhagen 1811, in Danish, printed by Johan Frederik Schulz. In Kirstine Meyer's 1920 edition of Ørsted's works, vol.'''III''' pp. 151-190. ) "First Introduction to Physics: the Spirit, Meaning, and Goal of Natural Science". Reprinted in German in 1822, Schweigger's ''Journal für Chemie und Physik'' '''36''', pp.458-488, 인용된 번역은 Ørsted(1997, p. 292)의 것이다.</ref>, 관찰과 측정을 통해 얻어진 정보를 바탕으로 설명을 시도하는 '''가설 설정'''<ref>"자연 법칙의 효과나 그에 따른 분류가 명확하지 않을 때, 우리는 법칙과 현상 사이의 차이를 추론을 통해 메우려고 시도한다. 이러한 추론을 가정(假定) 또는 가설이라고 한다." —한스 크리스티안 외르스테드(1811) "First Introduction to General Physics" 인용된 번역은 Ørsted(1997, p. 292)의 것이다.</ref><ref>"일반적으로 새로운 법칙을 발견하는 방법은 우선 추측해 보는 것이다. ...", — Feynman(1965, p. 156)</ref>, 가설이나 이론에 비추어 [[논리]]적이고 [[연역]]적인 [[원인]]을 추정하는 '''예측'''<ref>"자연에 대한 연구는 ... 그것의 수리적 특성을 설명하는 것에만 의존한다. 이 때문에 수학은 자연 법칙에서 간접적으로 영향을 받는 현상을 추측하는 직접적인 방법이 될 수 있다." —한스 크리스티안 외르스테드, "First Introduction to General Physics" ¶17. 인용된 번역은 Ørsted(1997, p. 292)의 것이다.</ref>, 가설에 의해 예측된 바를 검증하는 '''실험'''<ref>"나는 아리스토텔레스가 무게가 열 배 차이 나는 두 돌을 100 큐빗 높이에서 떨어뜨리면 무거운 쪽이 10큐빗이 차이가 날 정도로 더 빨리 떨어진다고 주장했을 때, 그가 결코 그것을 직접 실험하지는 않았을 것이라고 생각한다."[http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109N/tns61.htm Two New Sciences (1638)] —Galileo(1638, pp=61–62). 갈릴레오의 이러한 기록에 대한 더 자세한 출처는 Moulton, Schifferes(1960, pp. 80–81)을 볼 것.</ref> 이 그것이다.

위에서 설명한 요소들은 모든 과학 분야에서 동일하게 적용되지는 않지만 [[물리학]], [[화학]], [[생물학]] 등의 [[자연과학]]과 [[경제학]], [[사회학]] 등의 [[사회과학]]에 포함되는 대부분의 과학 분야는 이러한 요소들을 바탕으로 각 분야의 특성에 맞는 방법을 구성하여 사용하고 있다.<ref group="주해"> 표준과학적 연구 방법에 대한 보다 자세한 내용은 《과학적 방법론과 통계기법의 활용》(최종후 외, 자유아카데미, 1994년 ISBN 2005630000657)을 볼 것</ref> 또한, 과학적 방법은 [[교육]]이 다루는 교수 학습 내용에서 중요한 부분을 차지한다.<ref>남철우, 《교과교육과 초등과학교육론》, 학문사, 2000, ISBN 89-467-3290-3</ref>

과학적 방법은“조작적”<ref group="주해">조작적(操作的)이란 계량적으로 측정될 수 있다는 의미이다.</ref> 이어야 한다는 [[패러다임]]에는 [[조작적 정의]]와 [[도구주의]], [[효용|효율성]] 등의 개념이 포함되어 있다.

새로운 과학적 지식의 수립은 기존의 측정 단위에 대한 개념과 정의를 바꿀 수도 있다. 예를 들어 [[아이작 뉴턴]]은 “일정하게 주어져 있는 [[시간]]과 [[공간]] 등에 대해서는 별도로 정의하지 않는다”고 하였지만, [[알버트 아인슈타인]]이 [[특수 상대성 이론]]을 수립함으로써 시간은 더 이상 고정적인 어떤 것이 아니라 [[동시성의 상대성]]을 지닌 양이 되었다.<ref> Crick, Francis (1994), ''The Astonishing Hypothesis'' ISBN 0-684-19431-7 p.20 </ref>

[[가설]]은 현상을 설명하거나, 현상이 일어나는 가능성 있는 원인에 대한 제안이다.<ref name="대한화학교재연구회">대학화학교재연구회, 《기초 일반화학》, 동화기술, 2006년, ISBN 89-7432-176-9, 13-14쪽</ref> 보통 가설은 [[수학적 모형]]의 형태로 제시된다.<ref group="주해">예를 들어 중력은 두 물체의 질량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다는 설명은 <math>F = G {m_1 m_2 \over r^2}</math>(<small> F:중력, G:중력상수, m:질량, r:거리</small>)와 같은 식으로 표현될 수 있다.</ref> 항상 그런 것은 아니지만, 가설은 때때로 [[존재 한정]]이나 [[전칭 한정]]의 형태로 제시되기도 한다.

아인슈타인은 [[일반 상대성 이론]]을 수립한 후 [[시공간]]의 구조에 대해 관측 가증한 몇 가지 특별한 예측을 발표하였다. 그 중에 하나는 [[빛]]이 [[중력장]]에 의해 휠 수 있다는 것이다. 일반 상대성 이론에 따르면 강력한 중력장은 시공간 자체를 변형시키기 때문에 빛 자체로서는 직진한다고 하더라도 제3의 관찰자 입장에서 보았을 때 진행 경로가 곡선일 수 있는 것이다. 예를 들어 [[블랙홀]]과 같은 매우 큰 중력장은 배경에 있는 천체에서 나온 빛의 진행에 영향을 주어 제3의 관찰자가 보기에 마치 [[렌즈]]를 통해 보는 것처럼 천체의 상(像)이 여러 개로 보일 수 있다. 이를 [[중력 렌즈]]라고 한다.<ref>[[과학동아]], 2007년 4월호,〈한국의 지구사냥꾼 나선다 - 미시중력렌즈로 우주 이잡듯 뒤져〉 ISBN ABD2007040 </ref> [[아서 에딩턴]]은 1919년 개기 [[일식]] 때 실제로 중력 렌즈 현상을 관측하여 이를 입증하였다.<ref>In March 1917, the [[Royal Astronomical Society]] announced that on May 29, 1919, the occasion of a [[total eclipse]] of the sun would afford favorable conditions for testing Einstein's [[General theory of relativity]]. One expedition, to [[Sobral, Ceará]], [[Brazil]], and Eddington's expedition to the island of [[Principe]] yielded a set of photographs, which, when compared to photographs taken at [[Sobral, Ceará|Sobral]] and at [[Greenwich Observatory]] showed that the deviation of light was measured to be 1.69 [[arc-second]]s, as compared to Einstein's desk prediction of 1.75 [[arc-second]]s. — Antonina Vallentin (1954), ''Einstein'', as quoted by Samuel Rapport and Helen Wright (1965), ''Physics'', New York: Washington Square Press, pp 294-295.</ref>

멘델은 완두콩을 오랫동안 자가수분하여 특정한 유전형질이 고정된 순종을 얻었다. 그리고 일곱 가지 대립되는 유전형질을 선택하여 이를 잡종 교배할 경우 자식 세대에 발현되는 형질은 어떻게 되는지 관찰하였다.<ref>Mendel, G., 1866, Versuche über Pflanzen-Hybriden. Verh. Naturforsch. Ver. Brünn 4: 3–47 (in English in 1901, J. R. Hortic. Soc. 26: 1–32) </ref>

맨델은 위의 7가지 대립형질을 잡종 교배하였을 때 자식 세대에서 나타나는 발현 빈도를 조사하였다. 순종 간의 교배에서 바로 다음의 자식은 모두 대립 형질 중 한 가지의 특징만을 보였으며 이를 다시 자가 수분하여 얻은 제2세대에서는 대립형질의 발현 빈도가 일정한 비율을 이루었다. 멘델은 이 실험 결과를 토대로 [[멘델의 유전법칙|유전법칙]]을 수립하였다.<ref> 멘델의 논문(영문): Gregor Mendel (1865). [http://www.mendelweb.org/Mendel.html "Experiments in Plant Hybridization"]</ref>

* '''실험과 검증''': 왓슨은 [[X선 회절]] 실험을 통해 DNA의 구조에 대한 예측을 검증하였고 [[사진 51]]을 통해 자신들의 예측이 들어맞는 다는 것을 입증하였다.<ref name="TeaTime">1953년 1월 30일 금요일, 티 타임. McElheny(2004, p. 52)에서 인용: 왓슨이 플랭크린에게 서류를 불쑥 내밀었다. - "물론 이 폴링의 초록은 틀렸어요. DNA는 나선구조가 아니예요." 왓슨은 플랭클린과 헤어져 윌킨스의 사무실로 뛰어가 사진 51을 보았다. 왓슨은 사진 51일 본 순간 그것이 나선 구조를 보여주고 있다는 것을 확인할 수 있었다. </ref>

* '''반복 실험과 재현''': 이러한 방식은 DNA 가설의 평가와 개선에서도 반복 된다.<ref name="SameShape"> 1953년 2월 28일 토요일,McElheny(2004, p. 52)에서 인용: 왓슨은 카드보드 모형을 이용하여 [[엘윈 샤가프]]가 발견한 [[샤가프 법칙]]을 설명하는 기제를 수립하였다.</ref>

[[제임스 왓슨]]과 [[프랜시스 크릭]], 그리고 다른 과학자들은 DNA가 나선 구조를 지닐 것이란 가설을 세웠다. 이러한 가설에 따르면 DNA에 대한 X선 회절 사진은 X자 모양의 강조된 반점이 나타나야 한다.<ref>McElheny(2004, p.43)에서 인용: 1952년 6월 왓슨은 나선 구조를 나타내는 X선 회절 사진을 건내받았다.</ref><ref> 왓슨은 [[담배 모자이크 바이러스]]를 이용하여 회절 사진을 판독하였고, 크릭이 이를 나선 구조로 옮겼다. - pp. 137-138, Horace Freeland Judson (1979) ''The Eighth Day of Creation'' ISBN 0-671-22540-5 </ref> 코칸, 크릭, 밴드 등은 이러한 예측에 따라 실제 X선 회절 촬영이 그렇게 나타나는 지를 확인하였다.<ref name="HelixTransform"/> 또한 스토크 등도 독립적으로 동일한 실험을 하였다. 실험 결과 이 예측은 옳은 것으로 검증되었고, DNA가 나선 구조를 갖는 다는 코칸-크릭-밴드-스토크 이론은 관찰된 X선 회절 사진에 나타난 패턴이 보여주는 나선 구조를 수학적 모형으로 설명할 수 있었다.

과학적 방법을 거쳐 얻어진 과학 지식은 공표되어야 한다. 새로운 지식을 공표하기 위해 작성되는 논문은 과학계에서 관습적으로 사용되는 문체와 구성을 따라야 한다. 어떤 경우에는 [[수사학]]의 문제가 과학적 방법상의 문제 자체보다 논문의 출판에 더 큰 걸림돌이 될 수도 있다. 예를 들어 네이처는 [http://www.nature.com/nature/submit/get_published/index.html 저자 가이드라인] 에서 기고되는 논문의 문체나 구성을 지정하고 있다.

}}</ref>

토머스 쿤<ref>{{harvnb|Kuhn|1962|p=113}} ISBN 978-1-4432-5544-8 </ref> 과 폴 페이어번드<ref>Feyerabend, Paul K (1960) "Patterns of Discovery" The Philosophical Review (1960) vol. 69 (2) pp. 247-252</ref> 는 과학적 방법이 과학 이외의 요소에 의해 영향을 받는 다는 점을 지적한 대표적인 인물이다.

과학적 발견 가운데 대략 35%에서 50%가 우연한 발견이었다. 이것은 과학자들이 왜 그리 행운을 바라는 지를 알 수 있게 해준다.<ref name=DunbarLuck>Dunbar, K., & Fugelsang, J. (2005). Causal thinking in science: How scientists and students interpret the unexpected. In M. E. Gorman, R. D. Tweney, D. Gooding & A. Kincannon (Eds.), Scientific and Technical Thinking (pp. 57-79). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.</ref> [[루이 파스퇴르]]는 “행운은 준비된 자에게 찾아온다”는 명언을 남겼지만, 심리학자들은 준비된 자에게 찾아온다는 행운이 과학 지식에 어떠한 의미를 지니는 지를 연구하고 있다. 심리학의 연구 결과에 따르면 과학자들은 다양한 방법을 동원하여 실험을 하기 때문에 우연히 어떤 새로운 사실을 발견할 수 있는 경우의 수가 늘어난다고 한다.<ref name="DunbarLuck"/><ref name="Oliver, J.E. 1991">Oliver, J.E. (1991) Ch2. of The incomplete guide to the art of discovery. New York:NY, Columbia University Press.</ref> 경제학자 나심 니콜라스 탈레브는 개개의 연구는 인간적 오류나 실수 등의 위험 요소가 개입할 여지가 많지만, 과학적 방법은 반복적인 검증을 통해 이러한 위험을 제거하기 때문에 전체 시스템의 취약성을 보완한다고 하였다. 탈레브는 이를 “취약점 보완”({{lang|en|anti-fragility}})이라는 개념으로 정리하였다.<ref>Talib contributes a brief description of anti-fragility, http://www.edge.org/q2011/q11_3.html</ref>

심리학자 케빈 던바는 연구자가 실험의 오류를 발견하는 것이 종종 새로운 발견의 과정으로 이어질 수 있다고 말한다. 이러한 예기치 못한 결과로 인해 연구자는 그들의 연구 방법에서 발생한 오류에 대해 다시 “생각”하게 된다. 특히, 통제된 실험에서 나타난 오류가 허용 오차를 넘어 뚜렷하거나, 기존의 가설을 다시 검토하기에 충분할 만큼 주목할만한 것이라면, 연구자는 실험 중의 이러한 오류를 단순한 오류로만 치부하지 않고 새로운 전문분야를 개척할 단서로 받아들이게 된다.<ref name="DunbarLuck"/><ref name="Oliver, J.E. 1991"/> 예를 들어, [[에드워드 노턴 로렌즈]]는 컴퓨터를 이용한 [[기상 현상]] [[시뮬레이션]]의 결과가 초기의 사소한 조건 변화에 따라 민감하게 변화하는 [[로렌즈 끌개]]를 발견하였고, 이를 통해 [[나비 효과]]를 비롯한 [[혼돈 이론]]을 정립하는 계기가 되었다.<ref> 에드워드 노턴 로렌즈(1963), [http://ams.allenpress.com/archive/1520-0469/20/2/pdf/i1520-0469-20-2-130.pdf 결정론적인 비주기적 유동], 대기과학 저널</ref><ref> 에드워드 노턴 로렌즈(1969), [http://eapsweb.mit.edu/research/Lorenz/Three_approaches_1969.pdf 기상예측에 대한 세가지 접근 방법], Bulletin of the American Meteorological Society 50: 345–349.</ref>

{{주석각주|3}}