과학혁명의 구조/정상과학의 성격

토머스 쿤 지음, 김명자, 홍성욱 옮김, 『과학혁명의 구조』 제4판 (까치, 2013), 3장.

정상과학의 성격

“한 그룹의 단일한 패러다임의 수용이 허용하는 보다 전문화되고 난해한 연구의 성격이란 무엇인가? 만일 그 패러다임이 일단 완전히 수행된 연구를 대표하는 것이라면, 그것은 그 그룹에 어떤 문제들을 해결 과제로 남겨놓는가?”(90쪽) 패러다임의 수용으로 모든 것이 해결되었다고 생각하면 안 된다. 그러면 정상과학에서 풀 문제가 없어지기 때문에, 정상과학은 존립할 수가 없다. 패러다임을 패러다임이게끔 만들어준 인상적인 성공은 “적용 범위와 정확성 양쪽 측면에서”(91쪽) 한계가 있었다는 것을 명심해야 한다. 그래서 쿤은 패러다임을 “관습법에서 수용된 판결처럼, ... 새롭거나 보다 엄격한 조건 아래에서 더욱 명료화되고 특성화되어야 하는 대상”(91쪽)으로 묘사한다.

앞 장에서도 얘기했듯이, 패러다임은 문제를 없애주는 것이 아니라, 적법한 문제와 문제 풀이를 정해주는 역할을 한다고 했다. 어떻게 그럴 수 있는가? 패러다임은 우선 “전문가들 그룹이 시급하다고 느끼게 된 몇 가지의 문제를 푸는 데에 그 경쟁 상대들보다 훨씬 성공적이라는 이유로 그 지위를 획득한다. 그러나 훨씬 성공적이라는 말은 단일한 문제에 대해서 완벽하게 성공적이라든가 또는 많은 문제에 대해서 상당히 성공적임을 의미하지는 않는다. 하나의 패러다임의 성공은 당초에는 주로 아직 불완전한 예제들에서 발견될 수 있는 성공의 약속일 따름이다”(91쪽) 예를 들면, 어떤 불완전한 성공이 그런 것을 약속해줄 수 있을까? 프톨레마이오스의 행성 궤도 계산, 갈릴레오의 관성, 라부아지에의 천평 사용 등. 그렇다면 “정상과학은 그런 약속의 현실화를 통해서 이루어지는데, 그것은 패러다임이 특히 시사적이라고 제시하는 그런 사실들에 대한 지식을 확장시키고, 그런 사실들과 패러다임의 예측 사이에 일치 정도를 증진시키며, 패러다임 자체를 더욱 명료화시킴으로써 달성된다.”(91쪽)

이런 의미에서, 쿤은 정상과학을 “마무리 작업(mopping-up operation)”(91쪽)이라고도 불렀다. 이 마무리 작업은 대부분의 과학자가 그들 생애를 통해서 종사하게 되는 일로, “패러다임이 제공하는, 미리 만들어진, 상당히 고정된 상자 속으로 자연을 밀어넣는 시도라고 볼 수 있다. 정상과학의 목적은 새로운 종류의 현상을 불러내려는 것이 아니다. 실제로 그 상자에 들어맞지 않는 현상들은 종종 전혀 보이지도 않는다. 과학자들은 새로운 이론의 창안을 목적으로 하지도 않으며, 다른 과학자들에 의해서 창안된 이론을 잘 받아들이지도 못한다. 오히려 정상과학 연구는 패러다임이 이미 제공한 현상과 이론을 명료화하는 것을 지향한다.”(92쪽)

과연 이런 연구 형태를 추천할 만한 형태로 볼 수 있을까? 혹시 결함을 가진 건 아닐까? “상자에 들어맞지 않는 현상”은 보지 못하는 결함이 있으며, 더 좋은 것으로 밝혀질지도 모를 새로운 이론을 추구하지도 않고, 새로운 이론이 출현해도 웬만해선 받아들이려 하지 않는다. 이것이 결함이 아니고 무엇이겠는가? 그럼에도 쿤은 “이러한 제한들이 과학의 발전에서 불가결한 것으로 드러난다”(92쪽)고 말한다. 어떻게 그럴 수 있는가? “상당히 난해한(esoteric) 문제의 작은 영역에 주의를 집중함으로써, 패러다임은 과학자들로 하여금, 그렇지 않았더라면 상상조차 못했을 자연의 어느 부분을 상세히 깊이 있게 탐구하도록 만든다.”(92쪽) 이런 장점이 있다 하더라도 하나의 패러다임에 계속 묶여 있게 된다면, 심각한 결함 아닌가? 이에 대해 쿤은 “패러다임이 효과적으로 작용하지 못하게 되는 경우 언제든지 그 연구를 구속하던 제한을 느슨하게 하는 메커니즘”(92쪽)을 정상과학이 가지고 있다며 빠져나가려 한다. 이에 대해서는 다음 장에서 다시 살펴보도록 하고, 지금은 일단 이러한 정상과학이 대체 어떤 문제들을 푼다는 것인지 더 자세하게 살펴보도록 하자.

정상과학의 세 가지 문제 유형

쿤은 앞에서 패러다임이 제공하는 약속의 현실화가 “(i) 패러다임이 특히 시사적이라고 제시하는 그런 사실들에 대한 지식을 확장시키고, (ii) 그런 사실들과 패러다임의 예측 사이의 일치 정도를 증진시키며, (iii) 패러다임 자체를 더욱 명료화시킴으로써 달성된다”고 말한 바 있다. 여기서 말한 세 가지가 바로 정상과학의 세 가지 문제 유형이 된다. 다만 편의상 쿤은 사실적(경험적) 탐구와 이론적 탐구를 나누어서 소개하고 있다.

사실적 탐구의 세 가지 유형

“첫 번째는 패러다임이 사물의 본질에 대해서 특히 뚜렷하게 흥미롭다고 밝히는 사실들의 부류이다. 문제를 해결하는 데에 그 사실들을 적용함으로써 패러다임은 그런 사실들의 정확도를 높이고 그 사실들을 더욱 다양한 상황 속에서 확정할 만한 가치가 있는 것으로 만들어준다.”(93쪽) 예를 들면 이런 사실에는 어떤 것이 포함될까? 별들의 위치와 광도, 행성의 주기, 물질의 비중, 열 전도도, 전기 전도도, 유전율, 투자율, 스펙트럼의 파장과 강도, 화학 조성과 분자량, 용액의 끓는점과 어는점 등등에 대한 측정과 조사가 이에 포함될 것이다. 이를 위해서는 복잡한 장치들이 고안되어야 했고, 이는 시간과 돈이 많이 드는 일이었다. 과거의 천문대부터 현대의 입자가속기에 이르는 복잡한 장치들은 바로 그러한 장치들이다. “이들 과학자들은 무슨 신기한 새로운 발견을 해서가 아니라, 이미 알려진 종류의 사실을 재정립하는 데에 필요한 매우 정밀하고, 신뢰도가 크며, 적용 범위가 넓은 방법을 찾아낸 것으로 대단한 명성을 얻었다.”(93-94쪽)

“두 번째 사실의 결정은 패러다임 이론으로부터 유도되는 예측들과 직접 비교할 수 있는 사실의 결정이다. 이는 일상적이지만 첫 번째 것보다 작은 규모로 행해지며 그 자체로서의 흥미는 대단하지 않은 것들이다.”(94쪽) 예를 들면, 코페르니쿠스의 예측을 확인하기 위해 연주시차의 측정을 위해 특별한 망원경을 만든다든가, 뉴턴의 제2법칙의 논란 없는 증명을 위해 애트우드 기계를 만든다든가, 빛의 속도가 물과 공기 중 어디에서 빠른지에 대한 논란을 종식하기 위해 푸코의 장치를 만드는 등의 활동은 단지 사실의 축적을 위해서 행해진 활동이 아니다. 그것들은 “자연과 이론을 점점 더 가깝게 일치되도록 만드는 데에 엄청난 노력과 발명의 재능이 필요했음을 보여준다.”(95쪽) 당연한 얘기겠지만, 이러한 부류의 시도는 앞서의 문제 유형보다 더 패러다임 의존적이다. 예컨대 『프린키피아』가 없었더라면 애트우드 기계를 이용한 측정은 아무런 의미도 가지지 못했을 것이다.

“실험과 관찰의 세 번째 부류는 ... 패러다임 이론을 명료화하기 위해서 수행된 경험적인 연구로 이루어지는데, 이는 패러다임 이론에 남아있는 일부 모호한 점들을 해결하고, 이전에는 단지 관심을 끄는 것에 그쳤던 문제들에 대한 해결을 허용하게 된다.”(96쪽) 이런 것으로는 (i) 중력 상수, 아보가드로 수, 줄의 상수, 전자의 전하 등의 물리 상수를 결정하기 위한 실험이나, (ii) 보일의 법칙이나 쿨롱의 법칙 등의 정량적 법칙을 얻기 위한 시도, (iii) 패러다임을 주변 영역에 적용하는 대안적 방법 중 하나를 선택하기 위한 실험 등이 포함된다. 이 모두 패러다임 이론 없이는 수행될 수 없는 것들로, 순수히 실험만을 통해서 얻어질 수 있을 것 같은 정량 법칙들도 대부분 (정성적인) 패러다임의 가이드를 필요로 했고, 실제로 그러한 법칙들은 실제 실험 장치를 통해 발견되기 전에 추측되는 경우가 많았다. 예를 들어, 쿨롱이 성공을 거둔 것은 점전하들 사이의 힘을 측정하는 특별한 장치(비틀림 저울)을 스스로 고안해냈기 때문이지만, 그런 장치의 고안은 사실 전기 유체의 각 입자들이 서로 [거리에 의존한] 원거리 작용을 한다는 사실을 이미 “알고” 있었기 때문에 가능했었다.

세 번째 부류의 (iii)은 추가적인 설명이 필요할 것 같다. 예를 들어, 18세기 말, 19세기 초 칼로릭 이론의 패러다임적인 적용 사례는 혼합이나 상태 변화에 따른 온도 변화이다. 그러나 그 외에도 열은 (빛의 흡수, 화학 반응, 마찰, 기체의 압축 등) 갖가지 다른 방식으로도 방출되거나 흡수될 수 있었다. 이러한 다양한 상황에 칼로릭 이론을 적용하는 방법은 분명치 않았다. 압축에 의한 발열을 생각해보자. 칼로릭 이론에 따르면 이는 어떤 현상인가? 한 가지 가능한 답은, 진공도 열용량을 가진다고 보는 것이다. 그러면 압축에 의한 발열은 진공과 기체의 혼합에 따른 결과로 해석될 것이다. 그러나 다른 방법도 있는데, 압축에 의한 발열은 압력 변화에 따라 기체의 비열이 변화한 결과로도 해석될 수 있다. 칼로릭 이론은 두 가지 선택지를 모두 허용한다. 이를 규명하기 위한 실험은 칼로릭 이론이 적용 영역을 확장할 때 발생하는 모호성을 제거해줄 것이다.

이론적 탐구의 세 가지 유형

이론적 문제들도 사실적 탐구 문제와 비슷하게 세 부류로 나뉠 수 있다. 첫 번째는 “단순히 기존 이론을 이용해서 고유의 가치를 지닌 사실적 정보를 예측하는 일이 된다”(99쪽) 천체력의 제작이 그 대표적인 사례가 될 수 있다. “이러한 연구의 목적은 패러다임의 새로운 응용을 제시하기 위해서이거나 또는 이미 이루어졌던 응용의 정확성을 높이기 위한 것이다.”(100쪽) 매우 단순한 활동처럼 보이지만, 이 작업은 생각보다 어려운 작업이다. 『프린키피아』는 충분히 엄청난 연구 업적이었지만, 오늘날 물리학과 대학원생이 똑같은 법칙을 가지고 유도할 수 있는 것에 비교하면, 뉴턴은 그 범위에서나 정확성에서나 훨씬 뒤떨어졌다. 뉴턴이 성공한 것이라고는 케플러의 법칙과 조수 운동을 설명한 정도가 될 것이다. 그것도 아주 정확하게는 설명하지 못했다. 이를 개선하기 위해서는 이론의 개선이 필요했다. 이러한 상황은 두 번째 유형의 이론적 문제와 직결된다.

두 번째는 이론과 사실의 일치의 정확성을 높이기 위해 이론을 발전시키는 일이다. 예를 들어, 발전된 도구를 이용한 관찰에 따르면 행성들은 케플러의 법칙을 정확히 따르지는 않는다. 사실 뉴턴의 이론도 그럴 것이라고 얘기한다. 왜냐하면 케플러의 법칙은 행성과 태양 사이의 인력 외에 행성과 행성, 행성과 위성 사이의 영향에 대해서는 무시했을 때 나오는 근사적 결과이기 때문이다. 그러나 그러한 영향을 모두 고려했을 때 어떤 결과가 나올지 이론적으로 예측하는 것은 만만한 일이 아니었다. 이러한 문제는 ‘삼체 또는 다체 문제’라는 이름을 얻어 18세기 내내 유럽의 유능한 수학자들을 사로잡았고, 오일러, 라그랑주, 라플라스, 가우스 등은 이러한 뉴턴 패러다임과 천상의 관찰 결과 사이의 일치를 증진시키는 데 많은 기여를 한 사람들로, 이들을 비롯한 18세기 수학자들은 유체역학이나 진동하는 현의 문제와 같은 복잡한 물리적 상황을 다루는 막강한 수학적 기법들을 탄생시키기도 했다.

세 번째는 패러다임 명료화를 위한 이론적 작업이다. 그 대표적인 유형은 이론의 재정식화이다. 실제로 18, 19세기 유럽의 과학자들은 뉴턴 역학과 동등하면서도 논리적, 심미적으로 보다 만족스러운 형태로 재구성하기 위해 끊임없이 노력했는데, 그 결과물로 라그랑주 역학이나 해밀턴 역학을 들 수 있다. 실제로 이러한 결과물은 뉴턴 방식의 정식화로는 잘 풀기 어려웠던 문제들도 일관된 방식으로 공략하게 해주었다. 한편 패러다임 명료화를 위한 이론적 작업에는 앞서 사실적 탐구에서 다루었던 패러다임 명료화 작업도 포함된다. 앞서 예로 들었던 쿨롱의 장치의 성공은 이론에서의 정련도 함께 이루어졌다는 것을 말해준다. 쿨롱은 사실과 이론 모두를 다루고 있었고, 그 연구 결과는 단순히 새로운 정보가 아니라 보다 정확한 패러다임을 산출했으며, 그것은 그들이 연구를 시작했던 원래의 형태가 지닌 모호함을 제거함으로써 얻어졌다. “정상과학에서의 다른 어느 유형보다도 패러다임 정련의 문제는 이론적이면서도 동시에 실험적이다.”(104쪽)

그렇다면, 위의 세 가지 유형이 실험적/이론적 정상과학의 전부인가? 꼭 그렇진 않다. 거기에는 비상적인 문제들도 들어 있으며, 어쩌면 과학적 활동을 전반적으로 그다지도 가치있게 만들어주는 것이야말로 그러한 비상적 문제의 풀이라고 할 수 있을 것이다. 그러나 비상적인 문제는 원한다고 주어지는 것이 아니다. “그런 문제들은 정상과학의 진보에 의해서 마련된 특별한 경우에 한해서 출현한다. 그러므로 아무리 뛰어난 과학자에 의해서 다루어지는 문제라고 할지라도, 그 압도적 다수는 보통 앞에서 요약한 세 가지 범주 가운데 하나에 속하게 된다.”(105쪽)

요약

패러다임은 분명 유례없는 성공 덕분에 패러다임이 되었지만, 그 성공은 적용 범위와 정확성 모두에서 한계를 지닌다. 사실 패러다임의 성공은 완전한 성공이라기보다 앞으로의 성공에 대한 약속에 가까우며, 정상과학이란 그런 약속을 현실화하는 ‘마무리 작업’이라고 할 수 있다. 이 정상과학은 “패러다임이 제공하는 미리 짜여진 상당히 고정된 상자 속으로 자연을 밀어넣는 시도”로서, 새로운 것을 들춰내고자 하지 않으며, 패러다임이 이미 제공한 현상과 이론을 명료화하는 것을 지향한다. 이러한 결함은 과학의 발전에서 필수적인 것으로, “상당히 난해한 문제의 작은 영역에 주의를 집중함으로써, 패러다임은 과학자들로 하여금 그렇지 않았더라면 상상조차 못했을 자연의 어느 부분을 상세히 깊이 있게 탐구하도록 만든다.”

이러한 정상과학은 (i) 패러다임이 중요하게 다룬 사실들에 대한 정보를 확장하고, (ii) 그런 사실들과 패러다임의 예측 사이의 일치의 정확성을 증진시키며, (iii) 패러다임 자체를 더욱 명료화함으로써 달성된다. 이 세 가지가 바로 정상과학의 사실적 탐구와 이론적 탐구에서 다루는 세 가지 문제 유형이 된다.

책의 목차

과학혁명의 구조

1. 서론 : 역사의 역할
2. 정상과학에 이르는 길 (2-5장 발췌)
3. 정상과학의 성격
4. 퍼즐 풀이로서의 정상과학 (발췌)
5. 패러다임의 우선성
6. 변칙현상 그리고 과학적 발견의 출현 (발췌)
7. 위기 그리고 과학 이론의 출현
8. 위기에 대한 반응
9. 과학혁명의 성격과 필연성 (번역)
10. 세계관의 변화로서의 혁명 (발췌)
11. 혁명의 비가시성
12. 혁명의 완결 (발췌)
13. 혁명을 통한 진보

• 후기―1969