교양 과학 고전 - 수능 세대를 위한

“고전을 통해 공부하는 과학사”
아리스토텔레스의 자연학에서 쿤의 과학 혁명의 구조까지
과학 고전 읽기를 통해 과학사의 흐름을 한눈에 파악하다!

과학 이론은 어렵다는 편견을 깨뜨리다!
과학 지식의 가치를 인식시키고, 과학적 사고력을 높이는
길잡이가 되어 줄 교양 과학 입문서

대다수의 사람들은 과학 이론이나 과학사는 어려울 것이라고 단정해 버리고는 한다. 과학 지식을 습득하는 데만 치중한 나머지 과학의 흐름을 제대로 살펴보려는 노력을 소홀히 하기 때문이다. 원리와 공식을 무조건 외워서는 과학을 이해하기 힘들뿐더러 과학은 어렵다는 편견에 사로잡히기 십상이다. 그럼 과학을 제대로 이해하고 보다 쉽게 받아들이려면 어떻게 해야 할까? 물리학과 교수로 재직하며 물리학은 물론 과학사, 천문학에 관계된 다수의 책을 펴낸 저자는 단편적인 과학 지식을 학습하는 데 그칠 것이 아니라, 과학 지식이 형성되는 과정을 심도 있게 알아보려는 노력을 기울여야 한다고 조언한다. 시험에 나오는 과학 이론을, 혹은 과학의 내용을 모두 배우려고 하기보다는 핵심을 파악하는 것이 과학 공부에 효과적이라는 것이다.
이 책에는 과학 발전에 큰 영향을 준 18가지 과학 이론이 등장하게 된 역사적 배경, 이론의 핵심 내용, 이론이 과학 발전에 미친 영향 등이 명료하게 설명되어 있다. 뿐만 아니라 숱한 시행착오를 겪으면서도 포기하지 않고 끝까지 연구를 거듭하여 과학 이론을 만들어 낸 과학자의 일생이 고스란히 담겨 있다. 새로운 과학 이론을 완성하기 위해 끊임없이 탐구했던 과학자의 발자취를 따라가다 보면 과학은 어렵다는 편견은 사라지고 오히려 과학에 흥미를 느끼게 될 것이다. 피상적인 관점으로 바라보던 과학사 또한 종합적으로 정리할 수 있을 것이다.

과거 과학자들의 업적을 토대로 탐구심과 도전 정신을 발휘하여 과학 이론을 완성하다

뉴턴은 ‘만약 내가 더 멀리 봤다면, 그것은 거인의 어깨 위에 올라섰기 때문이다’라고 말했다. 과거 과학자들의 업적이 있었기에 자신의 과학 이론을 완성할 수 있었다는 말이다. 과학 이론은 어느 날 하루아침에 출현한 것이 아니다. 그 배경엔 과거 과학자들의 업적이 크게 자리하고 있다. 케플러는 코페르니쿠스의 태양 중심 천문 체계를 토대로 행성 운동 법칙을 발견해 냈고, 베살리우스는 갈레노스의 의학 체계에 의문을 품기 시작하면서 인체 해부학 교과서라 불리는 책을 출판했다. 또한 길버트의 연구를 본받아 전기와 자기를 체계적으로 연구하는 과학자들이 등장했고, 갈릴레이의 역학 체계를 바탕으로 뉴턴은 뉴턴 역학을 발표했다. 한마디로 과학자들 모두 과거 과학자들의 이론을 거울삼아 오류를 잡아냈고, 주변에서 일어나는 여러 가지 현상을 올바로 밝혀내겠다는 의지를 가지고 자신의 과학 이론을 완성한 것이다. 오늘날 인류가 안녕을 누리며 살 수 있는 까닭은 바로 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 과학자들의 수고가 있었기 때문이다.

오늘날의 과학을 있게 한 세기의 과학자들을 통해 과학사를 한눈에 정리하다!

ㆍ아리스토텔레스: 연역적인 사고와 함께 실험이나 관찰과 같은 귀납적인 과정도 중요시하는 고대 과학을 성립시키는 데 지대한 역할을 한 아리스토텔레스는 《자연학》이라는 저서에서 개별적 사물들의 운동과 변화를 설명했다. 아리스토텔레스의 이 같은 과학 방법은 새로운 과학이 등장한 근대 이후에도 과학자들이 체계적인 과학 연구를 하는 데 큰 도움을 주었다.
ㆍ프톨레마이오스: 프톨레마이오스는 모든 천체는 원운동을 해야 한다는 아리스토텔레스의 역학 원리를 바탕으로 에우독소스, 히파르코스 등이 제안했던 이심원과 주전원 운동에 행성 운동의 관측 자료를 대입하여 지구 중심 천문 체계(천동설)를 완성했다. 그의 지구 중심 천문 체계에서는 행성이 지구 주위를 돌지 않는다. 천체는 지구에서 조금 떨어진 점을 중심으로 하는 이심원의 원주 위를 돌고 있는 한 점을 중심으로 원운동을 하고 있다. 프톨레마이오스는 관측치를 설명하기 위해 이심원과 주전원의 반지름을 정하고, 이 점들이 도는 속도를 측정했다. 그 결과 태양과 달, 행성들의 위치를 당시로서는 매우 정확하게 예측할 수 있었다.
ㆍ코페르니쿠스: 코페르니쿠스는 1543년에 출판한 《천체의 회전에 관하여》를 통해 태양은 우주의 중심이며, 지구는 태양 주위를 돈다고 주장했다. 그의 새로운 천문 체계는 우주에 대한 패러다임을 근본부터 바꾸는 가히 혁명적인 내용이었다. 하지만 복잡한 기하학과 관측 자료를 이용해 체계를 증명한 데다, 행성의 위치 예측이 프톨레마이오스의 지구 중심 천문 체계보다 정확하지 못했던 탓에 당시에는 널리 받아들여지지 못했다.
ㆍ베살리우스: 인체 해부를 통해 갈레노스 의학의 오류를 밝혀내고 새로운 의학을 탄생시키는 데 중요한 역할을 한 베살리우스는 1543년 《인체 구조에 대한 7권의 책》을 출판했다. 이 책은 의학 교육 과정에 인체 해부가 정식 과목으로 도입되는 계기를 제공하며 의사를 전문직으로 인식하게 만들었다. 베살리우스가 해부를 통해 밝혀낸 새로운 사실들은 의학과 생리학은 물론, 생물학의 발전에도 크게 공헌했다.
ㆍ길버트: 전기와 자기의 성질을 체계적으로 연구하고, 전기라는 말을 처음으로 사용한 길버트는 1600년에 《자석에 대하여》라는 제목의 책을 출판했다. 자기 및 지구 자기를 실험적ㆍ귀납적 방법으로 전개한 이 책을 통해 많은 사람들은 전기와 자기에 관심을 가지고 본격적인 실험 연구를 하게 되었다. 길버트의 연구 이후 전기와 자기를 체계적으로 연구하는 과학자들이 등장했고, 1600년대와 1700년대 다양한 실험 연구를 통해 전기와 자기가 그 정체를 드러냈다.
ㆍ케플러: 수학적 분석을 통해서 코페르니쿠스가 제안한 태양 중심 천문 체계가 옳다는 것을 입증한 케플러는 ‘행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 돌고 있다’, ‘일정한 시간 동안에 태양과 행성을 연결하는 직선이 그리는 면적은 같다’, ‘주기의 제곱이 태양에서 행성까지의 평균 거리의 세제곱에 비례한다’는 행성 운동에 관한 3가지 법칙을 발표했다. 이 법칙들은 후에 뉴턴 역학이 발견되도록 길잡이 역할을 했다.
ㆍ갈릴레이: 1632년에 출판한 《두 우주 체계에 대한 대화》라는 책에서 갈릴레이는 금성의 위상 변화, 태양 흑점의 운동, 목성을 돌고 있는 위성들의 예를 들어 태양 중심 천문 체계가 옳다는 것을 적극적으로 주장했다. ‘그래도 지구는 돈다’라는 말은 이 책에서 유래되었는데, 책이 출판된 후 교회는 태양 중심 체계가 성경 말씀에 어긋난다는 이유로 갈릴레이를 종교 재판소에 회부했다. 당시 노쇠했던 갈릴레이는 결국 재판관들 앞에서 주장을 철회한다고 서약했고, 재판소를 나오면서 ‘그래도 지구는 돈다’라고 반복해서 중얼거렸다고 알려져 있다.
ㆍ뉴턴: 광학ㆍ역학ㆍ수학 분야에서 뛰어난 업적을 남긴 뉴턴은 ‘모든 물체는 가해진 힘에 의해 그 상태가 변화되지 않는 한 정지 또는 일직선 상의 운동을 계속한다’, ‘운동의 변화는 가해진 동력에 비례하며, 힘이 작용한 직선 방향을 따라 일어난다’, ‘모든 작용은 크기는 같고, 반대 방향의 반작용이 항상 존재한다’는 고전 역학의 바탕이 되는 운동에 관한 3가지 법칙을 확립했다. 이 법칙들로 인해 과학은 새로운 시대를 맞이하게 되었다.
ㆍ라부아지에: 플로지스톤설을 부정하고 연소와 산화 작용을 올바로 밝혀내 화학을 한 차원 끌어올린 라부아지에는 1789년에 출판한 《화학 원론》에서 연소의 원리를 설명하고, 질량 보존의 법칙을 정식화했다. 그의 원소 개념은 원자론이 등장하는 데 훌륭한 발판이 되었다. ㆍ다윈: 1859년 《종의 기원》을 출판한 다윈은 생물의 한 종이 다른 종으로 진화해 간다는 진화론을 주장하며, 환경에 불리한 것은 도태되고 유리한 것은 살아남아 진화를 거듭한다는 자연 선택설을 제창했다. 자연과 인간의 관계를 근본적으로 변화시킨 그의 이론은 인간은 신과 특별한 관계를 가지고 있다는 전통적인 견해에 반하는 까닭에 현재까지도 논쟁이 계속되고 있다.
ㆍ클라우지우스: 열역학을 과학으로 정립시킨 클라우지우스는 1850년 ‘열은 아무런 변화 없이 저온의 물체에서 고온의 물체로 이동할 수 없다’는 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)과 ‘고립계의 엔트로피는 감소할 수 없다’는 열역학 제2법칙(엔트로피 증가의 법칙)을 제안했다. 열이 흐르는 방향을 설명하기 위해 도입된 엔트로피(열량을 온도로 나눈 양)는 자연스런 변화의 방향을 제시하는 양이라는 공통분모를 가지고 열역학과 물리학을 넘어 교육학, 사회학에서도 사용되고 있다.
ㆍ맥스웰: 1873년 맥스웰은 수학의 기초 이론, 전자기학의 법칙, 전자기학 법칙의 적용 예, 수학적 표기 방법, 측정 방법, 측정 자료 등 전자기학과 관련된 모든 내용이 총망라되어 있는 《전자기론》을 출판했다. ‘전기장에 관한 가우스 법칙’, ‘자기장에 관한 가우스 법칙’, ‘앙페르의 법칙’, ‘전자기 유도 법칙’의 네 가지 법칙으로 이루어진 맥스웰 방정식을 다루고 있는 이 책은 여전히 전자기학의 중심 이론을 설명하는 책으로 평가받고 있다.
ㆍ아인슈타인: 물리학의 토대를 근본적으로 변화시킨 아인슈타인은 ‘빛의 속도는 항상 일정한 값을 취하고, 서로 등속 직선 운동을 하고 있는 관측자에 대하여 모든 물리 법칙은 같은 형식을 취한다’는 특수 상대성 이론과 ‘가속도를 가진 임의의 좌표계에서도 상대성이 성립한다’는 일반 상대성 이론을 발표했다. 당시 뉴턴 역학과 전자기학이 해결하지 못한 문제인 ‘빛의 속도는 무엇에 대해서 측정된 속도여야 할까?’는 아인슈타인의 이론으로 해결될 수 있었다. ㆍ슈뢰딩거: 1935년 슈뢰딩거는 ‘여러 상태가 중첩되어 있다가 측정이 실시되는 순간 하나의 상태로 확정된다’는 양자 물리학에 대한 코펜하겐 해석을 반박하는 사고 실험을 고안했다. ‘슈뢰딩거의 고양이’이라고 부르는 이 실험에서 그는 고양이가 특정한 상태에 존재하기 위해서 외부의 관측자가 필요하다는 양자 물리학은 모순이라고 부각시켰다.
ㆍ허블: 100인치 망원경으로 은하계의 성운을 관측한 허블은 성운이 우리 은하 밖에 있는 또 다른 은하라는 증거를 찾아내어 위대한 토론을 종결하고, 1929년 ‘은하의 후퇴 속도가 거리에 비례한다’는 허블의 법칙을 발표했다. 허블의 법칙은 우주가 팽창하고 있다는 사실을 보여 주는 것은 물론, 수십억 광년이나 떨어져 있는 은하까지의 거리를 측정할 수 있게 해 주었다.
ㆍ가모프: 알퍼와 공동으로 연구하여 빅뱅 후 몇 분 만에 헬륨이 형성되었는지를 나타내는 모델을 만드는 데 성공한 가모프는 1948년에 그 결과를 〈화학 원소의 기원〉이라는 논문으로 정리하여 발표했다. 〈알파 베타 감마〉 논문이라고 알려진 논문은 헬륨보다 무거운 원자핵들이 어떻게 합성되었는지 밝히지는 못했지만, 수소와 헬륨의 존재 비율을 설명하여 대단하다는 평가를 받았다.
ㆍ왓슨과 크릭: 1953년 직접 실험도 하지 않았고, 생물학 분야의 전문가도 아니었던 왓슨과 크릭은 집념과 집중력 하나로 연구를 시작한 지 불과 3년 만에 DNA 분자는 이중 나선 구조를 취한다는 것을 알아냈다. 두 사람 노력 덕분에 DNA 분자에 어떤 형태로 유전 정보가 저장되어 있으며, 어떻게 발현하느냐에 대한 연구가 진행되었고, 나아가 인위적으로 유전자를 조작할 수 있게 되었다.
ㆍ쿤: 1962년에 출판한 《과학 혁명의 구조》를 통해 과학의 발전은 패러다임의 전환을 통해 혁명적으로 이루어진다고 주장한 쿤은 여러 분야에서 쿤 혁명을 일으켰다. 과학사학자들은 과학 발전 단계에 있었던 과학적 사건을 쿤의 이론을 이용하여 분석했다. 과학 활동의 유형과 의미를 이해하는 데도 쿤이 제안한 과학 발전 이론은 큰 역할을 했다.