한번 과학적으로 생각해 보겠습니다

사카이구니요시

현재도쿄대학교대학원종합문화연구과교수와동대학교이학계연구과물리학전공교수를겸임하고있다.제56회마이니치출판문화상,제19회쓰카하라나카아키라기념상을수상했다.1987년도쿄대학교이학부물리학과를졸업하고,1992년동대학원이학계연구과에서박사학위를받았다.같은해동대학교의학부조교,1995년하버드대학교의학부리서치펠로우,1996년MIT언어·철학과객원연구원을거쳤다.저서로《언어의뇌과학》,《과학자라는일》,《뇌의언어지도》,《언어의모험》,《마음의모험》, 《뇌의모험》,《뇌를창조하는독서》,《생각하는교실》, 《예술을창조하는뇌》, 《세상에서가장재미있는상대성이론》등이있다

1장한번과학적으로생각해봅시다
2장원리와법칙을이해하는과학적생각법
3장원에서타원으로
4장케플러에서뉴턴으로
5장갈릴레오에서아인슈타인으로
6장일과에너지
7장관성력의재검토
8장지구에서우주로
9장확률론에서인식론으로

과학은지식이아니라사고법이다,
과학의결과가아닌과학적으로생각하는법을배우자!
과학이재미없는당신,혹시과학을오해하고있는것은아닐는지?끝없이외워야하는공식으로가득한지루하고답답한학문으로과학을생각하고있다면,지금도쿄대학교물리학전공사카이구니요시교수의《한번과학적으로생각해보겠습니다》를펼쳐보자.구니요시의도쿄대학교교양학부과학명강의를엮은이책은과학이란단순한지식의집합이아닌그고유의사고법임을강조한다.아인슈타인은“과학은서로관련없는사실이나법칙을모은카탈로그가아니다.”라고말했다.과학의묘미중하나는완전히별개의것으로보이는대상들이유기적으로연결된다는점이다.이묘미를맛보기위해서는현상너머의더근본적인법칙을이해할수있는과학적사고법이필요하다.
도쿄대학교에서물리학을가르치는저자는오래전부터사람들에게과학적으로생각하는법을전파하는데힘써왔다.이런그의노력은궁극적으로사람들에게과학하는“재미”를깨닫게해주기위해서다.과학적사고법에눈을뜨면그때까지는개별적으로보이던지식들사이에서관계성을발견하게되고더욱깊은이해에도달하게된다.바로여기에과학의매력이있다.또한자신이이해한지식안에더깊은문제가담겨있을깨닫게된다.하지만이런문제에직면해절망이나두려움보다는끝을알수없는미지의세계를모험하는것같은재미를느끼게된다.
저자는그방법으로천체관측데이터에서행성운동에숨어있는원리를파악한케플러와역학의기반을마련한뉴턴에서부터상대성이론의아인슈타인,양자역학의보어와하이젠베르크등거인들의고뇌와영감을쫓아가며과학적사고가무엇인지추적한다.여기에는가설을세우고연역적으로추론하는전통적인과학자의생각법그이상의스토리가존재한다.노벨물리학상을수상한일본의물리학자도모나가신이치로는“수학을공부하고진정으로이해했다는기분을느끼려면그수학을만들어냈을때의수학자의심리에조금이라도다가서야한다.증명을하나하나이해했다는것은영화필름을한컷한컷본것과같다.그렇게해서는영화전체줄거리를알지못한다.”라고했다.이말에는어떤법칙을발견한과학자의삶,즉그것을연구하게된동기와결론에이르기까지의흐름을함께들여다봐야그법칙의정수에닿을수있다는뜻이담겼다.저자는이책에서논리적추론뿐아니라과학자의심리를여러각도에서들여다보며독자들을과학적사고의세계로초대한다.


보이지않아도눈앞에그려낼수있다
과학적으로생각한다면!
저자는이책을“가장소중한것은눈에보이지않아”라는《어린왕자》의한구절로시작한다.그렇다.블랙홀을비롯한어떤현상들은우리눈에보이지않는다.물론인간의경험이나직관에근거한지식이과학에반영된다.하지만제대로파악하지못한경험칙이모여법칙이되는것은아니다.예를들어어째서무거운쇠공이가벼운깃털보다빠르게떨어지는것일까?물론쇠공이깃털보다빨리떨어진다는것은경험을통해직관적으로알수있는사실이다.하지만단순한직관만으로는중력의법칙을끌어낼수없다.오히려인간의경험과직관을보완하고바로잡을때올바른법칙을발견할수있다.모든것을서로연결하고있지만,눈에보이지않고,손으로만질수없는원리와법칙을이해하기위해서는과학적으로생각하는힘을길러야한다.
그대표적인예로과학자들의사고실험을들수있다.가상의상황에서몇가지의변인들을이리저리통제하면서보이지않는원리를추적하는사고실험은과학자들의주요사고도구중하나다.광자의이중성을멋지게예측한도모나가신이치로의광자재판사고실험,하이젠베르크를양자역학의불확정성의원리로이끈감마선사고실험,특수상대성이론에서일반상대성이론으로상대론을확장시킨아인슈타인의엘리베이터사고실험등위대한발견순간곳곳에서과학자들의끈질긴사고실험을만나볼수있다.
《한번과학적으로생각해보겠습니다》에는과학초심자들이과학적사고법을연마해볼수있는장치들이곳곳에마련되어있다.각장의맥락에맞는‘스스로생각해볼문제’를제공함으로써독자스스로가생각해볼수있는기회를제공한다.과학적사고력을익히기위한확실한방법은납득이갈때까지스스로생각하는것이다.포기하지말고스스로이해할때까지끊임없이생각해보자.


과학적으로생각한다는것이란..
《한번과학적으로생각해보겠습니다》을따라과학거인들의생각들을추적하다보면몇가지공통된특징을살펴볼수있다.모든과학자가따르는엄격한규칙이라고할수는없지만,과학자의생각을이끄는지도원리라고도할수있는특징들이있다.

경험을생각에꿰맞추지마라
수학과물리학의가장큰차이는수학이순수한지성의산물이라면,물리학은자연에제약을받는다는것이다.물리학자는법칙을수학화한다음,수학자처럼오로지수학적조작만으로다양한결론을이끌어내지만항상수식이묘사하는의미를자연세계로돌아와생각해보고경험에근거해이론을검증할필요가있다.이런태도는뉴턴의다음과같은언명에서가장잘드러난다.“나는가설을만들지않는다”뉴턴은중력을기술하는법칙을발견했지만,왜중력이발생하는지에대해서는어떠한설명도하지않았다.그는그이유를현상으로부터중력의원인을추론할수없었기때문이라고말했다.과학자들은자신의사고에갇히는것이아닌언제나열린마음으로경험이라는자연의소리에귀기울인다.

추상화하고생략하라
핵심을보기위해서는불필요한부분을과감하게생략할필요가있다.이럴때과학자가사용하는사고법이바로추상화와이상화다.추상화란대상들의특수한성질을제거하고공통의성질을뽑아내는사고법을말한다.불필요하고표면적인요소를잘라내면본질이보이기시작한다.예를들어벚꽃은품종마다,색,형태,향기등이미묘하게다르지만,과감하게추상화해서‘정오각형’이라는성질에집중하면,그많은품종이공통으로지닌회전대칭성의원리를발견할수있다.반면‘이상적인상태’를가정하는이상화는당장은불필요한조건들을고려하지않음을뜻한다.과학자는이상화를통해현상의본질을꿰뚫는근본적이고단순한모형을구축할수있다.하지만이상화만으로법칙이성립하는것은아니며,이상화에앞서적절한추상화를통해핵심이되는요소들에주목해야할필요가있다.추상화와이상화를제대로이해하고활용하는것이바로과학적사고의기본이다.

상관관계와인과관계의차이를구분하라
두대상사이에서한쪽이변하면다른한쪽도변하는관계를상관관계라고한다.특별한언급이없으면두대상이같은방향으로변하는양의상관관계를의미하지만,증가와감소처럼서로다른방향으로변하는음의상관관계도있을수있다.반면,상관관계중에서도한쪽이원인이고다른한쪽이결과가되는관계를인과관계라고한다.두대상이이어지려면과학적근거가있는추론이요구된다.인과관계가증명되면이관계를'법칙'으로간주할수있다.하지만언뜻인과관계로보이는두대상A와B사이에공통된원인인C가존재할수있으므로숨겨진원인은없는지신중히따져봐야한다.만약C처럼원인이따로있다면A와B의관계는상관관계에불과하다.과학자들은늘신중히이둘을구분하려애쓴다.

더보편적인원리와법칙을찾아라
20세기최고의과학자중한명인리처드파인만은다음과같이말했다.“과학이더욱발전하려면단순한공식이상의것이필요하다.먼저관찰을하고그다음에측정된수치를얻는다.그러고나서그수치를전부모아하나의법칙을얻는다.그러나과학의참된'영광'은그법칙이'명백하다는생각을발견할수있다'라는점에있다.”이는과학자가자연에대해갖는태도를말한다.그들은자연이법칙의지배를받으며,이런법칙들이더근본적인원리로부터기원한다고여긴다.아인슈타인이약100년전에중력파를예측할수있었던비결도바로그가보다근본적인법칙과원리들을쫓았고,그로부터다수의법칙들을이끌어냈다는점에있다.