[과신책] 세상을 바꾼 위대한 과학실험 100

 

메리 그리빈 & 존 그리빈 | 세상을 바꾼 위대한 과학실험 100 | 오수원 역 | 예문아카이브 (2017)

 

요즘 우리나라에서 사람들이 가장 큰 문제로 다가오는 것이 신종 코로나 바이러스 문제이다. 처음에는 별 것 아닌 것으로 생각하다가 사망자가 나오고 나에게도 바이러스가 감염될 수 있다고 생각 하지만, 현대는 의학과 생물학의 발전으로 인해 질병에 대처하는 사람들의 능력이 향상되었고 그로 인해 많은 질병에서 벗어날 수 있게 되었으며, 신종 코로나 바이러스 문제도 잘 해결될 것이다.

 

그러나 고대에 의학이나 생물학이 발전하기 이전에는 질병의 문제를 해결하기 위해 주술에 의지한 경우가 많았는데 이는 질병이 초자연적인 원인에 의해 발생한다고 생각했기 때문이다. 이러한 생각은 시간이 지나가면서 의학과 생물학의 발전이 이루어지면서 조금씩 극복되었다.

 

질병을 고치게 된 것 이외에도 오늘날 우리가 누리고 살아가는 과학 기술도 얼마 전까지만 해도 알지 못하는 상황에 놓여 있었다. 과학의 발전은 과학혁명이 일어나기 전까지는 지지부진한 상황이었다. 갈릴레이, 뉴턴 등으로 대표되는 과학혁명을 이끈 사람들에 의해 근대 과학이 발전하고, 이 후 많은 과학자들의 헌신적인 실험과 연구 결과가 현재 우리가 누리고 있는 과학의 발전을 이루었다.

 

과학에서 중요하게 다루는 측면이 여럿 있지만, 과학혁명을 가져오게 한 결정적인 측면이 바로 실험이라고 할 수 있겠다. 과학혁명이 일어나기 전까지 대부분의 과학적 지식은 사변적인 생각이 그 중심을 이루었다. 예를 들어 아리스토텔레스의 역학이 생활 속의 경험과 잘 어울린다고 생각되었기 때문에 갈릴레이나 뉴턴에 의해 부정되기 전까지 당연하게 받아들여지곤 하였다. 과학을 이러한 사변적인 생각에서 벗어날 수 있도록 한 것이 실험이었다.

 

 

이 책에는 천문학자이자 작가인 존 그리빈과 과학 교사인 메리 그리빈에 의해 선택된 100가지 과학 실험이 설명되어 있다. 고대로부터 시작하여 현재에 이르는 실험 중에서 많은 사람에게 영향을 준 실험을 100개 선정하여 그 실험의 간략한 내용과 과학적 의미를 설명한다. 그중에는 유레카로 유명한 아르키메데스 실험, 혈액순환을 알아낸 윌리엄 하비 실험, 광속을 계산한 뢰머 실험, 천왕성을 발견한 허셜, 인류 최초의 백신을 만든 제너, 빛의 파동성과 입자성에 대한 실험, 뢴트겐의 엑스선 실험, DNA 구조 발견 등 물리, 화학, 생명공학, 천문학 등과 관련된 실험이 있으며, 과학과 밀접하게 연관되어 있는 기술에 대한 몇 가지 실험도 포함되어 있다.

 

이 책에서 제시한 어떤 실험은 우리가 이해하기 쉬운 것도 있지만, 다른 것은 이해하기 조금 어려운 내용의 실험도 있다. 그럼에도 과학에서 많은 실험을 통해 우리가 알 수 없었던 많은 내용을 알아내고 그 결과 우주와 물질과 생물을 포함하는 자연 세계의 경이로움을 알게 되었다는 것이다.

 

이 책에서는 다양한 실험을 제시하는 가운데 과학자들에 대한 설명이나 그들이 직접 진술한 내용을 통하여 과학실험의 중요성을 강조하고 있다. 그 중 몇 가지를 소개해 보면 다음과 같다.

 

 

1. 서론에서는 윌리엄 길버트의 말을 인용하면서 실험의 중요성을 제시한다.

 

여기 표명한 나의 의견에 동의하지 않는다 해도, 또 나의 역설(paradoxes)을 받아들이지 않는다 해도 수많은 실험과 발견만큼은 주목하시라… 우리는 이 실험과 발견들을 캐냈고, 엄청난 노고와 큰돈을 들여 밤잠을 설쳐가며 이들을 입증했다. 여러분은 우리가 제공하는 실험과 발견을 즐겁게 이용하시라. 그리고 가능하다면 더 좋은 목적에 이들을 가져다 사용하시라… 우리가 제시한 많은 추론과 가설은 필시 받아들이기 어려워 보일 수 있다. 일반적으로 수용되는 견해들과 일치하지 않기 때문이다. 하지만 나는 앞으로 우리의 추론과 가설들이 증명을 통해 권위를 얻게 되리라는 것을 믿어 의심치 않는다. 우리가 만든 많은 추론과 가설은 필시 받아들이기 어려워 보일 수 있다. 일반적으로 수용되는 견해들과 일치하지 않기 때문이다. - 윌리엄 길버트

 

하지만 추론과 가설은 “증명(실험)을 통해 권위”를 얻는다. 그리고 무엇보다 중요한 명제, 실험과 일치하지 않는 법칙은 틀린 것이다. 길버트의 이 말을 요약하자면, 실험 결과와 일치하는 이론이나 법칙을 찾아내는 것이 중요하며, 우리는 이론이나 법칙에 대해 실험으로 검증해야 한다고 주장하는 것이다.

 

2. 인체 해부에 지대한 공헌을 한 베살리우스 실험에서 저자들은 베살리우스를 다음과 같이 평가한다. 그는 안전거리를 유지하고 서서(말 그대로 손을 더럽히지 않고) 실제 증거뿐 아니라 상상력을 이용한 해부를 통해 밝혀진 내용을 강의한 당시 해부학 교수들과 다르게 그는 직접 해부를 시행하면서 진행 상황을 학생들에게 말로 설명했을 뿐 아니라, 직접 보게 함으로써 인체에 대한 지식을 심화하고 발전시켰다. 베살리우스는 인체 해부에 대한 지식을 향상시켰고, 고대인(갈레노스)의 이른바 우월한 지혜에 의존하지 않고 눈앞에 있는 증거와 자기만의 실험을 통한 지식의 중요성을 강조했다.

 

3. 갈릴레오의 연구에 영감을 받은 선구적 과학자였으며 왕립학회(Royal Society)의 창립을 돕기도 했던 보일은 세계를 탐구할 때 “설사 거기서 얻은 정보가 기존 생각과 모순되는 것처럼 보일 때도 실제로 얻게 된 경험을 따라야 한다”는 말을 남겼다. 이는 과학자가 실험 결과를 어떤 태도로 받아들여야 하는지를 명확하게 나타내고 있다.

 

4. 17세기 중반에는 생명체를 닮은 이 특이한 암석들이 뭔가 미지의 과정으로 뒤틀린 암석 조각이 생명체처럼 보이도록 변형된 것에 불과하다는 생각이 널리 퍼져 있었다. 그러나 훅은 현미경으로 연구한 증거를 통해 화석이 변형된 암석 조각에 불과한 것이 아니라고 주장했다. 변형된 암석 조각이라고 하기에는 화석의 세부구조가 생명체의 모양과 지나치게 흡사했기 때문이다. 그는 현재 암모나이트라 불리는 화석이 “특정 갑각류의 껍질로, 대홍수나 범람 또는 지진이나 다른 유사한 수단에 의해 해당 지역으로 옮겨진 후 그곳에서 진흙이나 점토 또는 석화를 일으키는 물로 가득 차게 된 것임에 틀림없다”라고 설명했다. “눌리우스 인 베르바Nullius in Verba”(어떤 말이건 의심하라) 정도로 번역할 수 있다. 처음부터 왕립학회의 과학자들은 과학적 발견에 대한 풍문을 맹목적으로 받아들이지 않고 이를 검증하기 위해 실험을 수행했다. 로버트 훅은 학회 초창기 이런 실험을 행했던 인물이었다.

 

5. 뉴턴은 1704년에 출간된 《광학Opticks》이라는 이 책에 과학적 방법론에 대한 견해를 요약해 놓았다. 그중에 한 가지 내용은 다음과 같다. “분석이란 실험과 관찰을 시행하고, 귀납법을 통해 일반적 결론을 이끌어내는 것이며, 실험이나 다른 확실한 진리가 아닌 그 어떤 이의도 받아들이지 않는 것이다.”

 

6. 와트는 ‘순수’과학과 ‘실용’과학 사이의 구분을 무의미하게 만드는 실험과학자이자 발명가의 원형을 제공했다. 영국의 화학자였던 험프리 데이비가 와트에 대해 기술한 내용을 살펴보자.

 

제임스 와트를 위대한 기계공으로만 간주하는 사람은 그의 본질을 완전히 잘못 알고 있는 것이다. 와트는 기계를 발명하고 제작하는 능력뿐 아니라 자연철학자이자 화학자로서도 탁월한 능력을 갖고 있었다. 그리고 그의 발명품들은 그가 화학과 자연철학에 관한 심오한 지식의 소유자라는 것, 독창적이고 특별한 천재성으로 과학 지식을 융합해 실용적으로 응용하는 출중한 능력의 소유자라는 것을 생생하게 증명한다.

 

7. 최초의 백신을 만든 제너의 이야기가 전하는 중요한 교훈은 그가 천연두 예방을 위해 사람들에게 우두 접종을 해줬다는 것만이 아니다. 그런 일을 실행했던 사람들은 제너 전에도 있었기 때문이다. 이들과 제너의 차이는 제너가 실험을 통해 사람이 천연두에 대한 면역성을 보인다는 사실을 확인했고, 자신의 주장을 입증하기 위해 충분한 수의 피험자들을 통해 되풀이해서 그 사실을 확증했다는 것이다.

 

8. ‘푸아송 광점Poisson’s spot’이라 불리는 파동 가설의 예측을 증명한 실험은 특정 이론의 오류를 입증할 목적으로 실행한 실험이 오히려 그 정당성을 입증해낸 최고의 사례 중 하나다. 프레넬은 공모전에서 상을 탔고 빛의 파동 이론도 확립됐다. 일부 사람들에게는 충격적인 결과였을 것이다. 하지만 어쩔 수 없다. 뉴턴조차도 항상 옳지만은 않았던 것이다.

 

9. 어떤 실험의 의의는 처음엔 널리 평가받지 못한다. 주목을 받지 못하기 때문이거나 실험이 행해지던 당시에 팽배해 있는 사유의 틀과 잘 맞지 않기 때문이거나 또는 둘 다이기 때문이다. 그레고어 멘델Gregor Mendel이 실시했던 완두콩 유전 연구가 바로 그런 경우다. 멘델의 연구가 지닌, 시대를 뛰어넘는 탁월함은 그의 생물학 연구 접근법이 마치 물리학자의 접근법과 같았다는 데서 유래한다. 동일한 실험을 되풀이하고 실험 내용을 늘 상세히 기록해두며, 관찰한 바를 분석하기 위해 본격적인 통계적 검증 방법을 적용하는 접근법을 쓴 것이다.

 

10. 밀리컨은 아인슈타인의 이론을 반대하기 위한 실험을 한 후에 자신의 의도와 다른 결과를 얻고나서 다음과 같은 이야기를 했다.

 

실험을 통해 배우고 변화하고 때로는 실수를 저지르기도 하면서 지난 10년을 보냈다. 애초부터 실험의 목적은 실험을 통해 (온도, 파장, 전압의 세기 등을 조절해가며) 광전자가 방출하는 에너지를 정확히 측정하는 것이었다. 나는 모든 에너지를 이 일에 쏟아부었다. 그러나 1914년 현재, 실험을 통해 내가 밝혀낸 것은 애초에 예상했던 바와는 정반대의 사실이었다. 작은 실험적 오류를 인정하는 한, 결국 나의 실험 연구는 아인슈타인의 방정식이 타당하다는 실험 증거를 최초로 제시한 연구가 됐다.

 

11. 1919년 일식을 관측함으로써 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 검증한 유명한 실험은 과학적 방법의 작동방식을 보여주는 대표 사례다. 새로운 사상(이 경우 일반 상대성 이론)은 가설을 제시하고, 가설은 실험으로 검증된다. 실험의 검증을 통과한 가설이나 예측은 훌륭한 과학 이론으로 정립된다.

 

12. 비타민 B12 구조 발견으로 노벨상 수상한 호지킨은 노벨상 강연에서 다음과 같은 말을 남겼다.

 

모든 결정 구조 문제를 엑스선 결정 분석으로 해결할 수 있다거나 모든 결정 구조가 풀기 쉽다는 인상을 남기고 싶지 않습니다. 제 인생의 시간 중에는 결정 구조를 풀어낸 시간보다 풀어내지 못한 시간이 훨씬 더 깁니다. 인슐린을 엑스선 결정법으로 분석하기 위한 저희의 노력을 예로 들면서, 엑스선결정학이 극복해야 할 난제들 중 일부를 설명해드리겠습니다.

 

과학에서의 실험은 이론이나 법칙을 만드는데 결정적인 역할을 하는 요소들 중 하나다. 이 책에서 다루지 않는 많은 실험들이 흥미롭게 우리에게 다가온다. 또한 앞으로 많은 자연 현상들이 사람들의 상상력과 끈기를 통해 발견되기 위해 우리를 기다리고 있을지 모른다. 이러한 과학 실험앞에 과감하게 도전해보지 않겠는가? 이를 위해 이 책의 실험들은 큰 도움을 줄 것이다.

 

윤세진 (과신대 교사팀, 구일고등학교 생물 교사)