과학혁명

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과학혁명이란 토마스 쿤이 제시한 개념으로 기존의 패러다임을 뒤집는 새로운 패러다임이 성공사례를 통해 유능한 학문 후속세대를 만들며 새롭게 정상과학이 형성되는 과정이다.


쿤의 과학혁명에 대한 관점

쿤은 과학혁명을 정치적 혁명에 비유하였다. 혁명기의 과학을 신구 패러다임 사이의 경쟁과 투쟁관계로 말하고, 그 둘 패러다임 사이의 중립적인 심판도 없다고 하였다. 또 논증이나 검증을 통하여서 결판을 낼 수도 없다고 하였는데, 이는 심판과 같이 어느 패러다임에도 속한 제3자가 없기 때문이라고 생각할 수 있다. 쿤은 이러한 대립은 설득을 통해 결판이 난다고 말한다. 과학사에 비추어 보았을 때, 그는 '전향'이라는 표현을 사용하면서 구 패러다임을 믿던 사람들이 새로운 패러다임으로 전향할 때 과학적 세계관을 바꿀 수 있는데, 그것이 과학혁명이라고 말하고있다.

플랑크의 과학혁명에 대한 견해 : 물리학자 막스 플랑크는 만약 쿤이 말한 전향의 과정에서 전향을 하지 않고 구 패러다임을 고수하는 사람들이 있다면 이 사람들이 모두 다 죽어야 과학혁명이 완수된다고 생각하였다. 신 패러다임의 승리는 설득이 아닌 반대파가 모두 죽고난 후 새로운 패러다임에 익숙한 새로운 세대가 자라나면서 이루어진다고 말하였다.

과학 혁명의 과정

과학 혁명이 이루어지는 과정은 다음과 같다. 처음에는 아무런 패러다임도 정립되지 못한 상태에서 연구활동이 일어난다. 이때는 동의된 패러다임이 없으므로 산만하게 다들 각자의 파벌을 따라서 연구를 한다. 쿤은 이렇게 패러다임이 없는 상태를 과학 이전의 상태라고 간주하였다. 그러다가 누군가가 훌륭한 업적을 이룩해서 남들이 다 따라 할 정도가 되면 그것이 하나의 패러다임으로 정립되면서 정상과학이 시작된다. 정상과학에서, 어떤 새롭게 발견된 과학 현상은 기존의 패러다임으로 설명하려는 과정이 이루어지는 것이 일반적인데, 이 과학 현상들 중에서 기존의 패러다임으로 설명되지 않는 현상들이 종종 있다. 이를 '변칙 사례'라고 한다. 이 변칙사례들이 해결되지않고 축적될 경우, 변칙 사례를 기존의 패러다임의 틀에 억지로 끼워 맞추려는 노력을 하는 지지자들과 이 변칙 사례를 좀 더 명쾌하게 설명하기 위해 새로운 패러다임을 들고 오는 사람들 사이에 의견 충돌이 이루어지고, 만약 후자의 지지자들이 더 우세할 경우 새로운 패러다임이 형성되는데, 이를 '과학 혁명'이라고 한다. 과학혁명이라고 불리는 사건이 과거에 몇번 있었다. 대표적인 예시로 지구를 중심으로 천체가 움직인다는 이론 천동설이 태양 중심으로 지구가 도는 지동설로 바뀌는 코페르니쿠스 혁명이 있다. 뉴턴 역학은 원자나 그보다 더 자세한 입자들을 다루기 시작함으로써 양자역학으로 대체되었고, 그 이후에 상대성이론에 의해 혁명을 겪었다. 창조론 또한 다윈의 진화론의 등장으로 인한 과학혁명을 겪었다.

아래는 과학혁명의 구조를 요약한 것이다.

패러다임이 없는 연구 → 패러다임의 정립 → 정상과학의 탄생 → 변칙사례의 등장 → 위기 → 과학혁명(새로운 패러다임의 정립) → 정상과학2 등장 → 변칙사례의 등장 → 반복.

쿤은 과학적 패러다임을 객관적으로 선택하기 힘들다고 말했다. 패러다임은 이론뿐 아니라 세계관과 가치관을 내포하고 있기 때문이다. 이러한 쿤의 논의를 많은 철학자들이 부정적으로 보았는데, 그 중 대표적인 사람이 라카토쉬이다. 라카토쉬는 과학사에 대한 쿤의 지적을 많이 받아들이면서도 기본적으로는 포퍼와 마찬가지로 과학적 비판정신을 이성적 사고의 기반으로 중요시했다. 라카토쉬는 쿤이 말하는 과학혁명의 과정에 따르면 과학자들은 군중심리에 지배받는 것에 불과하다고 비판했다. 또한 과학적 판단이란 철저히 이성을 기반으로 해야 하며, 혁명적 상황에서는 더 진보적인 패러다임이나 연구 프로그램을 선택해야 한다고 말했다. 여기서 '진보'란 새로운 사실을 성공적으로 예측해내는 것이고, 라카토쉬는 이를 실증적 과학이 이루어낼 수 있는 가장 중요한 업적으로 보았다.

변칙 사례

쿤은 패러다임에 의해 예상되지 않은 관측이나 발견을 '변칙 사례'(anomaly)라 불렀다. 대부분 관측이나 실험 결과가 이론과 다른 상황을 말하는데, 꼭 거기에만 국한된 것은 아니고 관측결과 자체가 이상하게 일관성 없이 나타나거나, 이론 자체를 발전시키는 과정에서 잘 들어맞지 않는 곳이 생기는 등의 상황도 변칙사례라 할 수 있다.

위기

쿤이 말하기를, 변칙사례들이 너무 많이 모인다거나, 너무 중요한 내용이거나, 너무 오랫동안 해결되지 않았을때. 즉, 현재 정상과학의 이론과 맞아 떨어지지 않을때 정상과학이 위기를 맞는다고 하였다. 정상과학이 위기를 맞으면 과학자들의 연구 초점은 흐려진다.

위기에 대한 반응

정상과학이 위기를 맞게되면, 기존 패러다임의 정교화와 확장을 위해 연구했던 과학자들이 점점 변칙사례에 집중하여 엉뚱한 궁리도 해보고, 철학적인 의문도 제기하고, 또한 절망하기도 한다. 이때 변칙사례들이 기존 패러다임 내에서 풀린다면, 기존의 정상과학 패러다임은 다시 소생하게 된다. 하지만 변칙사례들이 기존의 패러다임에 전혀 맞지않는 새로운 아이디어로 풀린다면, 그 새로운 아이디어를 추종하는 사람들이 생기게 되고, 그런 사람들이 충분히 모이면 새로운 패러다임이 형성된다. 이때부터 신-구 패러다임 간에 경쟁이 시작되고 그 경쟁에서 새로운 패러다임이 이기면 패러다임의 전환, 즉, 과학혁명이 발생한다. 새 패러다임의 승리는 새 패러다임으로 전향한 사람이 충분히 많아지거나, 기존의 패러다임을 지지하는 과학자들이 모두 죽거나 은퇴함으로써 이루어진다.

과학 혁명의 세 가지 특성

과학 혁명의 세 가지 특성에는 양립 불가능성, 공약 불가능성, 번역 불가능성이 있다. 먼저 양립 불가능성은 같은 자연 현상에 대한 해석이라도 과학 혁명을 전후해서 나타나는 이론들은 양립할 수 없다는 것이다. 과학 연구는 일정한 패러다임 하에서 이루어져야 하고, 과학혁명을 통해서 패러다임은 교체되고 이전의 패러다임은 폐기된다. 공약 불가능성은 동일한 패러다임에서의 이론 선택과 상이한 패러다임에서의 이론 선택은 공약 가능하지 않다는 것이다. 공약불가능성이란 말은 원래는 직각이등변삼각형의 빗변과 다른 변을 정수배로 나타낼 수 있는 단위 길이, 즉 공통된 척도가 존재하지 않는다는 말에서 따온 것이다. 쿤과 파이어아벤트는 이를 상이한 이론 또는 패러다임을 한 데 놓고 비교할 수 있는 공통된 잣대가 없다는 뜻으로 사용하였다. 마지막으로 번역 불가능성은 패러다임에 따른 이론들이 앞서 말한 양립 불가능하고 공약 불가능하다면, 두 이론 사이의 번역도 당연히 불가능하다는 것이다.이 번역 불가능성 논제는 언어 철학의 논의에서 제시되었다.[1]

패러다임 간 공약불가능성

쿤에 따르면 경쟁 관계에 놓인 패러다임 간에는 '비정합성(incommensurability)'이 존재한다. 경쟁하는 패러다임들은 서로 말이 잘 통하지 않는다는 것인데 여기에는 세 가지 차원이 존재한다.

1. 패러다임에 따라 판단 기준이 다르다: 패러다임마다 같은 과학에 대해서도 무엇이 중요한가를 판단하는 기준이 다르다. 중력이론을 수학적으로 표현하고 미적분을 이용해 각종 문제를 풀어내는 것에 의미를 둔 뉴턴과 중력이론의 근본적 원인을 밝히는 데 의미를 둔 데카르트의 대립이 여기에 해당된다. 광학의 전통에서는 빛을 파장이라고 했고, 이를 설명하기 위해 19세기 물리학자들이 내세운 에테르라는 개념을 도입했던 것과 1905년 갑자기 등장한 아인슈타인이 에테르는 필요없다고 한 것도 마찬가지이다. 분자구조를 밝히는 것에 만족하는 유기화학자와 화학 결합의 원인에 대해 깊이 파고드는 물리화학자의 차이 또한 판단 기준 차이에 의한 것이다. 즉, 패러다임이 바뀌면 어느 패러다임이 더 우수한지를 판단하는 기준도 바뀌어버린다. 기준이 서로 다를 때 어떤 것이 더 우월한지 객관적 판단이 되지 않는다.

2. 패러다임에 따라 개념과 용어의 의미가 다르다: 뉴턴역학에서 말하는 질량은 물질의 고유한 양으로 변하지 않는 상수다. 그러나 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 질량은 물체의 운동에 따라 변하는 변수고 다른 에너지로 변환되기도 한다. 같은 '질량'이라는 개념에 대한 해석이 다른 것이다. 다른 예로 시간과 공간의 개념이 있다. 뉴턴역학에서 시간과 공간은 고정된 것으로, 변하지 않는 세계였다. 그러나 아인슈타인은 상대성이론에서 시간과 공간은 상대적이라고 말한다. 또한 '운동'이라는 개념도 패러다임에 따라 의미가 달라진다. 아리스토텔레스는 위치 이동뿐만 아니라 모든 상태 변화를 다 운동이라고 표현했는데, 이는 현대의 패러다임에서의 '운동'과 다르다. 또한 과거 프랑스 화학계의 거장이었던 베르톨레는 일정한 성분비를 가지지 않는 합금과 용액도 '화합물'에 포함시켰다. 이는 일정한 성분비로 합친 것이라는 오늘날의 개념과 일치하지 않는다. 이처럼 서로 다른 패러다임에서는 개념의 의미가 달라져서 각 패러다임에서 주장하는 내용을 쉽게 비교하기가 어렵다.

3. 패러다임에 따라 관측된 현상이 다르다: 관측의 이론적재성에 의하면 관측은 이론의 영향을 받는다. 그런데 이론은 패러다임에 따라 달라지므로 결과적으로 관측 또한 달라진다. 천상계는 완벽하며 불변한다고 믿었던 서양에서는 신성, 초신성에 대한 관측 기록이 전혀 없다. 반면에 천상계 불변의 개념이 없었던 동양에서는 관측 기록이 다수 발견된다. 같은 현상을 보고서도 패러다임에 따라 관측 내용이 다른 사례다. 또 다른 사례로는 갈릴레오와 아리스토텔레스가 각기 다르게 본 '진자'가 있다. 갈릴레오는 진자가 마찰이나 공기저항 없이 양 옆으로 영원히 진동한다고 보았고 진자가 양 옆으로 움직일 때의 규칙적 진동주기에 주목하였다. 반면, 아리스토텔레스는 진자가 수직 운동을 하지만 줄에 의해 운동이 구속된 것으로 보기 때문에 옆으로 왔다 갔다 하는 것은 신경쓰지 않았다. 서로 다른 패러다임을 가지고 있기에 갈릴레오와 아리스토텔레스는 같은 현상을 보고도 다르게 분석한 것이다. 쿤은 이 상황을 조금 과장해서 '혁명 이후의 과학자들은 아주 딴 세상에서 사는 것'이라고 표현했다. 패러다임이 바뀐다고 해서 자연 자체가 변하는 것은 아니지만 인간에게 어떤 의미를 갖는 세상이라는 것은 패러다임을 통해서 걸러져 나온 것이기 때문에 진짜 자연 그 자체를 인간은 알 수 없다고 한 것이다.

쿤의 결론을 피하는 전략들

쿤은 과학적 진보를 도구적 진보라고 표현하기도 했다. 다시말해 답을 향해 끊임업이 근접해간다는 내용이 아닌, 단지 퍼즐풀이 능력이 향상된다는 의미이다. 하지만 과학이 정말 옳은 이론을 준다고 생각하고 싶어하는, 관측내용을 객관적으로 정말 있는 사실로 여기고 싶어하는 많은 과학자들은 이러한 쿤의 입장을 거부한다. 이런 입장을 유지하려는 사람들은 어떻게 쿤의 결론을 극복할 수 있을까?

전략1 쿤이 알아차리지 못했던, 모든 과학에 적용되는 보편적인 과학 방법론을 고집한다.

전략2 여러 과학혁명을 겪음에도 유지되고 축적되는 것들을 찾아, 그런 부분들을 보면 과학이 정말 어떤 방향으로 발전하는지 알 수 있다고 주장한다.

전략3 더이상의 혁명은 없다고 주장하며 기존에 있는 패러다임을 기반으로 한 정상과학을 계속 연구한다.[2]

참고문헌의 저자인 장하석은 다원주의를 주장하며 아예 다른 작전을 가지고 있다.

과학혁명의 논란

1. 쿤이 말하는 과학혁명으로 과학지식이 축적될 수 있나?

토마스 쿤의 이론에 따르면, 과학은 일정한 패러다임 내에서 지식을 축적하다가 현재의 패러다임을 대체할 새로운 패러다임이 나타나면, 완전히 붕괴한 이후 다시 지식이 쌓아지는 구조이다. 그렇다면 패러다임이 계속 변하는 이런 구조 아래에서 과연 과학지식이 축적될 수 있는 것인가? 이러한 우려를 분명하게 나타내는 예로 연금술과 에테르에 관해 축적되었던 지식의 무효가 있다.

2. 과학이 진리에 접근할 수 있나?

토마스 쿤의 이론에 따르면, 과학은 주어진 패러다임 내에서 자연의 진리에 대해서 다가가는 것이 아닌 단지 '문제풀이 능력'을 향상시키는 것이다. 그렇다면 과학에서 진리란 존재하지 않는 것인가? 과학은 진리에 접근할 수 있는 것인가? 설사 진리에 접근하고 있다 하더라도 그 방향성을 알 수 있는가?

3. 경험적 지식을 객관적이라고 할 수 있는가? 관측의 이론 적재성으로 인해 패러다임과 함께 판단기준이 바뀌기 때문에 보편적인 과학방법론도 이야기할 수 없다.

이러한 논란에도 쿤은 혁명을 통해 과학이 진보한다고 주장했다. 패러다임을 바꿔가면서 전체적인 문제해결 능력을 키워가고 있다고 하였다. 예를 들어, 양자역학으로는 아리스토텔레스가 옛날에 내놓았던 질문들에 대답하지 못한다(전혀 종류가 다른 질문이기 때문이다.) 그러나 우리는 양자역학으로 다른 광범위한 문제들을 정밀하게 해결할 수 있게 되었다. 그러나 양자역학을 알게 되어 우리가 절대적 진리에 한층 다가섰다고는 말할 수 없다. 따라서 이러한 진보를 '도구적 진보'라고 하기도 한다.

주석

  1. 쿤 『과학혁명의 구조』 (해제), 2004., 서울대학교 철학사상연구소
  2. 장하석, 『장하석의 과학, 철학을 만나다』, 지식플러스(2014), pp.148~149.

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