시민의 교양 과학

시민의 교양 과학

홍성욱 외 지음

생각의힘 / 2019년 11월 / 287쪽 / 17,000원



과학의 역사, 과학의 철학



과학과 기술, 그리고 그 관계 - 홍성욱 (서울대학교 생명과학부 / 과학사 및 과학철학 협동과정 교수)어원으로 본 과학과 기술: 과학의 영어 단어인 사이언스(science)의 직접적인 어원은 라틴어 스키엔티아(scientia)입니다. 지금의 사이언스는 자연과학을 가리키지만, 스키엔티아는 지식 전반을 의미했습니다. 한편 사이언스가 자연에 대한 체계적인 지식의 의미로 사용되기 시작한 것은 19세기 이후의 일입니다. 그런데 17~18세기에도 갈릴레오, 뉴턴처럼 우리가 과학자라고 부르는 사람들이 있었지요, 하지만 이들이 하는 일을 ‘과학’이라고 부르지 않았습니다. 당시에는 이들이 하는 학문을 자연철학이라고 불렀지요. 자연철학은 철학의 일부였기에, 이 시기 동안에 과학 활동은 문자 그대로 철학의 한 부분으로 받아들여졌다고 볼 수 있습니다. 과학이 아직 분화가 덜 되었다고 볼 수 있는 것이지요.

자연철학은 19세기 초엽까지 존재했다고 볼 수 있고, 핵심적 활동은 수학과 실험을 통해 자연의 법칙을 발견함으로써 자연에 내재하는 신의 섭리를 드러내는 것이었습니다. 유럽 사회는 산업자본주의가 발전하던 대략 19세기부터 급속하게 세속화되며, 이 과정에서 자연철학에 드리웠던 종교적 색채도 걷어집니다. 이렇게 해서 지금 우리가 알고 있는 과학이 탄생합니다. 자연철학이라는 단어의 사용 빈도가 줄어들면서, 역으로 과학이라는 단어의 사용 빈도가 늘어났던 것입니다.

이제 기술이란 단어 테크놀로지(technology)의 어원을 봅시다. 테크놀로지란 단어는 그리스어 테크놀로기아(technologia)에서 유래됐습니다. 이 단어는 기예, 숙련, 테크닉을 의미하는 테크네(tekhne)와 서설, 이론을 의미하는 로기아(logia)가 합쳐진 것입니다. 그러니까 무엇을 만드는 것에 대한 체계적인 서설, 이론이라는 의미입니다. 이 테크놀로기아라는 단어가 17세기 초엽에 테크놀로지라는 단어로 바뀝니다. 그렇지만 테크놀로지라는 단어도 거의 사용되지 않았던 단어입니다. 중세에서 근대에 이르는 기간 동안 많이 사용된 단어는 기예(art), 혹은 기계적 기예(mechanical art)란 말이었습니다. 기술이라는 대상 전체를 추상적으로 묶어서 테크놀로지라는 명사가 사용되기 시작한 시점은 19세기 중반입니다. 놀랍게도 사이언스라는 단어가 자주 사용되기 시작할 때 테크놀로지라는 단어도 널리 사용되기 시작했습니다. 그러면서 기예를 의미했던 아트(art)라는 단어가 예술을 의미하게 됩니다.

한편 일본의 니시 아마네는 서양의 용어를 한자로 번역해서 아시아에 퍼뜨린 사람입니다. 과학이라는 용어도 그가 영어의 사이언스를 번역하면서 만든 말이지요. 기술, 예술, 철학이라는 단어도 그가 만들었습니다. 지금 우리가 사용하는 학술적인 언어가 그의 번역으로부터 많이 만들어졌습니다.

니시 아마네가 보았던 서양 과학은 19세기 후반의 과학이었습니다. 이때의 과학은 물리학, 생물학, 지질학 등으로 그 분과가 확실히 구분되어 있었습니다. 또 그는 과학의 핵심이 사물을 구분하는 것이라고 생각했습니다. 그래서 사이언스를 분류하는 학문이라는 의미로 과학이라고 불렀지요. 기술은 기계의 예술, 예술은 고급 재주, 철학은 철인의 학문이라는 의미로 단어를 만들었습니다. 이 모든 용어를 니시 아마네라는 한 인물이 번역할 수 있을 정도로 아시아에는 서양 과학, 기술, 문화, 예술이 거의 동시에 유입되었습니다. 그 결과 서로 다른 길을 거쳐서 발전했던 것이 아시아에서는 같은 패키지로 인식되었습니다. 과학과 기술도 크게 다르지 않은 것으로 각인되었습니다. 서양에서‘science and technology’라고 사용되는 단어가 동양에서는 ‘과학과 기술’이 아닌 ‘과학기술’로 번역되었던 것입니다. 과학기술, 혹은 과학기술자라는 단어는 외국에 존재하지 않습니다. 과학과 기술, 과학자와 기술자 등으로 구분해 부르지요.

역사를 통해 본 과학과 기술의 상호작용: 고대 그리스에서 기술은 거의 발전하지 않았습니다. 그리스인들은 철학적 사유를 높게 평가했지만, 실제로 무언가를 만드는 기술은 경시했습니다. 반대로 로마 시대에는 기술이 상당히 발전했지만, 과학이나 철학은 제자리였습니다. 중세 초기에도 크게 다르지 않았습니다. 이후 중세에 대학이 생기면서, 대학의 교양과목과 전공과목의 일부로 과학과 철학이 자리 잡게 됩니다. 당시 대학교수나 학자들은 대부분 수도사, 신부였다고 보면 됩니다. 이들은 보통 사람들이 읽을 엄두도 내지 못하는 책을 읽고 공부를 했습니다. 사회적인 신분도 높았습니다.

학자들은 책을 썼고, 따라서 대학교수를 했던 학자의 생애와 이들의 철학적 이론에 대해서는 많은 것이 알려져 있습니다. 반면에 기술은 이름 없는 장인에 의해서 만들어지고 개량되었습니다. 우리는 풍차의 발명자가 누구인지, 시계를 누가 처음 만들었는지 모르고 있습니다. 이 발명가들이 이름 없는 장인, 기술자였기 때문에 그렇습니다. 학자와 장인들 사이에는 거의 아무런 교류나 상호 영향이 없었습니다. 과학과 기술은 정말 멀리 떨어져 있었던 활동이었던 것이지요.

이런 상황이 르네상스 시기에 바뀝니다. 변화의 조짐은 엔지니어들이 성당, 운하 등 큰 프로젝트를 하면서 부를 축적한 것에서 시작되었습니다. 부자가 된 엔지니어들은 자신들의 사회적 지위를 높이려 합니다. 공학기술이 존경받을 만한 학문이라는 점을 보여주기 위해서 공학과 관련된 고대 고전을 찾아내서 이를 번역합니다. 그러기 위해서 라틴어를 공부했고요. 이 과정에서 학자들과 접촉을 합니다. 학자들은 기계를 다루는 역학(mechanics)이라는 학문을 수학적으로 발전시키기도 합니다. 이렇게 하면서 역학이 기계를 다루는 학문에서 점차 물체의 운동을 다루는 추상적인 물리학으로 진화합니다.

16세기가 되면서 자연철학자들은 아리스토텔레스 자연철학에 대해서 반기를 들기 시작합니다. 이들 중 일부는 아리스토텔레스가 실험을 반대했다는 사실을 비판합니다. 아리스토텔레스는 관찰만이 유일하게 적법한 과학적 방법론이라고 봤습니다. 실험을 하는 순간에 사람은 자연에 개입해서 이를 교란하고 망가뜨리니까요. 그런데 베이컨 같은 근대 과학철학자는 자연을 그냥 보면 자기 모습을 드러내지 않는다고 봤지요. 어떠한 힘을 가해서 뒤틀고 변형해야만 모습을 드러낸다고 생각했습니다. 실험은 자연을 망가뜨리는 것이 아니라, 실제 자연의 본모습을 온전하게 드러내게 하는 것이라는 것이지요.

실험은 기술을 사용합니다. 그래서 망원경, 현미경 같은 기술이 17세기에 자연철학자들의 연구에 도입됩니다. 그런데 훨씬 더 충격적이었던 기술은 진공펌프였습니다. 아무것도 없는 공간은 종교적으로 불경한 공간이었습니다. 그렇지만 로버트 보일과 같은 자연철학자는 진공펌프로 진공을 만든 뒤에 여러 실험을 했는데, 진공의 구(球) 속에 촛불을 넣으니까 불이 꺼지고, 그 안에 새를 집어넣었더니 죽는 것을 봤습니다. 깃털과 동전을 진공펌프에 넣으면 동시에 떨어졌습니다. 자연에서는 잘 만족되지 않았던 갈릴레오 법칙이 만족되었던 것입니다. 실험을 통해 자연의 비밀이 드러났다는 것입니다.

실험이 과학의 핵심적 방법론이 되면서, 과학과 기술이 만나는 접점이 생깁니다. 기술자들은 기기를 만들거나 개량했고, 과학자들은 이런 기기를 이용해서 자연의 비밀을 캐냈습니다. 그렇지만 과학자와 기술자가 비슷한 사회적 신분을 가지고 교류했던 것은 아니었습니다. 아직도 과학자는 대학 교수였거나 아카데미 회원이었고, 기술자들은 그렇지 못했습니다. 그런데 18세기 말에 산업혁명이 시작되면서 이런 신분의 차이가 극복됩니다. 영국 버밍엄이란 도시에서는 ‘만월회(Lunar Society)’라고 불리는 단체가 설립되는데, 여기에서 엔지니어 제임스 와트, 사업가 매튜 볼튼, 자연철학자 조지프 프리스틀리, 인문학자 에라스무스 다윈 같은 사람이 모여서 교류를 했습니다. 이런 모임에서는 과학자와 엔지니어가 스스럼없이 어울렸고, 서로에게 도움이 되는 지식과 경험을 공유했습니다.

이런 모임들이 늘어나면서 지식인들은 공학과 기술의 중요성을 알게 되었고, 공학은 중세의 조직이었던 장인의 길드에서 벗어나서 도시에서 새롭게 만들어지던 신생 대학에 자리 잡게 됩니다. 토목공학, 기계공학, 화학공학, 전기공학 등이 대학에 학과의 형태로 자리 잡으면서, 과학과 기술의 상호작용은 더 원활해졌습니다. 화학자와 물리학자는 과학을 공부한 뒤에 화학공업이나 전기산업에 뛰어들었으며, 헤비사이드 같은 엔지니어는 전기기술을 개량하기 위해서 전자기학을 공부하다가 아예 전자기학 분야에 중요한 기여를 하는 업적을 남기기도 합니다. 19세기 중엽이 되면 과학과 기술이 섞이고 엉키기 시작해서 어디까지가 과학이고 어디부터가 기술인지 깔끔하게 구별하는 게 거의 불가능해졌습니다.

과학은 새로운 기술을 만들어냅니다. 원자핵분열에 대한 연구는 원자로와 원자폭탄을 만들어냈고, 유전자 재조합에 대한 연구는 유전자변형식품을 만들어냈습니다. 반대로 새로운 기술은 새로운 과학을 낳습니다. 증기기관이 발명되면서 과학자들은 기관 내에서 일어나는 현상에 대해 연구하다가 열역학이라는 새로운 학문 분야를 만들어냈습니다. 이제는 과학에서 만들어진 지식이나 현상에 의존하지 않는 기술을 찾아보기 힘들고, 역으로 기술에 의존하지 않는 과학도 찾아보기 힘듭니다. 21세기에 과학과 기술은 연결되어 교류하고, 넝쿨처럼 엉키고, 혼재된 존재가 되었던 것입니다. 이것이 과학과 기술을 합쳐서 테크노사이언스라고 부르는 이유가 됩니다.

우주의 시작, 문명의 여정



천문학, 우주와 물질의 시작과 끝 - 이명현 (과학책방 갈다 대표)

빅뱅우주론: 빅뱅우주론이라는 것은 지금 우주가 어떻게 변화하고 있는지에 대한 표준 우주론으로 다른 말로 팽창우주론, 상대론적 우주론이라고도 합니다. 우주가 팽창한다고 보기 때문에 팽창우주론이라고 하는 것이고, 시공간 자체가 팽창한다고 보는 것은, 즉 시간과 공간이 조건에 따라 변화할 수 있다고 보는 것이기에 빅뱅우주론을 상대론적 우주론이라고도 하는 것입니다. 빅뱅우주론을 다루려면 팽창이라는 개념을 말해야 하고, 이를 위해서는 시공간이 변화할 수 있음을 살펴보아야 하고, 이를 설명하기 위해서는 상대성이론도 살펴보아야 합니다.

상대성이론: 상대성이론이 나오기 전에는 물리학의 기본 법칙은 뉴턴의 만유인력 법칙이었습니다. 뉴턴의 법칙에서 중요한 것은 가감의 법칙입니다. 즉, 모든 물체의 속도를 더할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 달리는 기차에서 사람이 같은 방향으로 뛰면 사람의 속도와 기차의 속도를 더하면 됩니다. 마찬가지로 달리는 기차에서 랜턴을 켜면 빛의 속도와 기차 속도를 더해야 합니다. 그런데 가감의 법칙에 빛만 성립이 안 됐습니다. 지금도 빛에는 가감의 법칙이 적용되지 않는다고 보고 있습니다. 아인슈타인은 가감의 개념이 빛에만 성립이 안 된다는 생각을 토대로 공식을 만들었습니다. 빛이라는 것은 어떤 상황에서도 가감의 법칙이 성립하지 않기 때문에, 어떤 상황에서 빛을 측정해도 빛의 속도는 똑같다고 했습니다. 이후 이 공식은 광속 불변의 법칙이라고 불립니다. 법칙이라 부르기는 하지만, 하나의 가정인 것입니다. 빛의 속도를 고정하기 위해서는 세상의 공간, 시간이 절대적이라고 가정한 것을 없애버려야 합니다. 즉, 그 전에는 빛의 속도가 변화한다고 보고, 시공간을 불변하는 상수로 놓았는데, 아인슈타인은 빛의 속도를 상수로 놓은 것이지요. 사람들이 그 이유를 물어보니 아인슈타인은원래 그렇다고 대답했다고 합니다. 우리 우주는 원래 그렇다고 대답을 합니다. 빛의 속도는 중요한 상수가 되고, 시공간이 변한다고 보는 것이 상대성이론이라고 볼 수 있습니다.

시간과 공간의 상대성: 시간과 공간의 상대화라는 개념이 있습니다. 뉴턴 역학에서 중력은 서로 다른 A와 B가 서로 끌어당기는 힘을 가리킵니다. 이 중력은 전파되는 속도가 무한대입니다. 그런대 무한대라는 것은 직관적으로 이해하기 힘듭니다. 하늘의 별이 무한대의 중력을 가지게 되면 하늘이 벌써 무너졌어야 했는데 그러지 않았습니다. 또 시공간이 절대적이려면, 절대적이라는 것을 말할 수 있는 우주의 중심을 알아야 합니다. 그런데 사람들은 갈릴레오 때부터 절대적인 것, 동시적이라는 개념이 없다는 것을 알아차리기 시작했습니다. 예를 들어 어디에선가 소리가 나면 가까이 있는 사람은 빨리 듣지만, 멀리 있는 사람은 늦게 듣기 때문에 그 소리가 언제 났는지 확실하게 말할 수 없습니다.

시간과 공간의 탄력성이라는 개념도 있습니다. 빛의 속도 더하기 기차의 속도는 빛의 속도이고, 빛의 속도 빼기 기차의 속도도 빛의 속도여서, 빛의 속도를 상수로 놓기 위해서는 기차의 속도가 달라져야 합니다. 속도가 빠르면 빠를수록 물체의 길이는 줄어듭니다. 제가 기차에서 달리면 달릴수록 제 몸의 넓이가 줄어들고, 시간도 천천히 갑니다. 그래서 상대방의 속도가 빠르면 빠를수록 길이는 줄고, 시간은 천천히 가며, 질량은 증가합니다. 빛의 속도로 가면 시간의 간격이 무한대로 가서 시간이라는 개념이 소멸됩니다. 즉, 빛의 속도에 도달하는 순간 시간이 소멸하기 때문에 빛의 속도에 도달하는 순간 우리가 사는 세상이 더 이상 아니게 됩니다. 길이도 0이 되어 2차원이 됩니다. 이런 생각들을 아인슈타인이 했고, 이를 증명을 하기 위한 실험들을 해서 모두 성공을 합니다.

일반상대성이론은 가속과 감속 개념이 있어서 중력이 있습니다. 이는 세상에 바로 적용할 수 있는 보편 이론입니다. 중요한 것은 뉴턴은 시공간이 절대적이고 불변하다고 했는데, 아인슈타인은 주변 공간이 변한다고 했습니다. 가속과 감속이 있으면 중력도 달라져서, 중력이 크면 시간이 천천히 흐르고 길이가 줄어듭니다. 그래서 중력이 강한 곳에 가면 시간이 천천히 가므로 영생할 수 있다고 하는 것입니다. 그래서 아인슈타인은 어떤 존재가 있으면 그것의 질량의 크기와 분포에 의해서 공간이 휜다고 했습니다. 반면 뉴턴은 공간이 불변한다고 했기 때문에 둘이 다릅니다.

그래서 일반상대성이론에서는 끌어당기는 힘을 상정하지 않았기 때문에 역학이라는 말을 쓰지 않습니다. 대신 곡률이라는 말을 쓰는데, 곡률은 기하학에서 많이 쓰는 용어입니다. 깊이 파질수록 중력이 큰 것이고, 질량이 큰 물체의 주변으로 가면 빠르게 그 휘어진 구멍으로 굴러 떨어지게 됩니다. 이것을 원래는 인력에 의해 빨리 간다고 했는데, 아인슈타인은 구멍으로 굴러 떨어진다고 하면서 끌어당기는 힘의 개념을 없앴습니다. 이를 다른 과학자가 검증했습니다.

상대성이론이 미친 영향: 아인슈타인의 과학적 작업이 가장 영향을 미친 기술을 꼽으라면 GPS입니다. GPS는 내비게이션, 휴대전화에서 쓰입니다. 인공위성은 굉장히 빨리, 등속으로 돌아서 시간이 지구 표면에서보다는 천천히 흐르기 때문에, 인공위성이 우리에게 데이터를 보내면 지구의 시간으로 보정을 해야 합니다. 이 기능이 휴대전화에 있습니다. 또 이것을 일반상대성이론으로 설명하면, 인공위성은 멀리 있으니까 중력이 약합니다. 이것도 동일하게 보정할 수 있는 기능이 휴대전화에 있습니다. 최근에는 시계가 굉장히 발전해서 30미터 떨어진 곳의 중력 차이도 측정할 수 있는 시계가 있습니다. 극단적으로 얘기하면 모든 사람, 물질, 우주의 것들은 다 각각의 시계를 갖고 사는 것입니다. 이 원리를 생각해보면 미래로의 시간여행은 굉장히 쉽습니다. 우주를 한번 나갔다 오면 되는 것입니다. 그런데 우리는 아직도 만유인력의 법칙을 씁니다. 일상에서는 중력, 속도가 크게 차이 나지 않기 때문에 일반상대성이론을 쓸 필요는 없습니다. 그런데 휴대전화에서는 일반상대성이론을 씁니다. 수성, 금성, 지구가 한 바퀴를 돌면, 곡률이 있으면 제자리로 돌아오지 않습니다. 이런 현상도 일반상대성이론이 뒷받침하지요. 블랙홀의 존재도 일반상대성이론이 설명합니다.

우주의 변화를 설명하는 것을 우주론이라고 합니다. 빅뱅우주론은 우주가 작게 태어나 점점 팽창해 지금의 우주가 되었다는 이론입니다. 상대성이론이 빅뱅우주론의 토대가 됩니다. 빅뱅우주론을 우주진화론이라고도 하고, 빅뱅 이전, 우주는 왜 태어났을까를 묻는 질문은 우주기원론이라고 합니다. 그래서 우주론은 진화론, 기원론 둘로 나뉩니다. 우주진화론은 천문학이고, 기원론은 수학입니다. 천문학, 물리학과 수학의 차이는, 수학은 방정식의 해가 있으면 존재하는 겁니다. 그런데 물리학, 천문학은 일정 시간 동안 존재해야 합니다. 그래서 우주기원론은 물리학, 천문학의 영역이 아닙니다.