<최무영 교수의 물리학 강의> 1,2장 내용 요약 __ 과학이란, 대칭성, 보편 이론 체계

 

1. 과학이란 무엇인가

1) 과학이란?

과학기술과는 문명과도 아주 깊은 관련이 있다. 자연과학은 아주 작은 기본 입자부터 아주 큰 우주까지, 세상의 전 범위를 탐구한다.

 

큰 세계에서는 떠돌이별(행성), 해(태양), 붙박이별(항성), 미리내(은하수) 등이 있고, 이러한 우주는 자연현상이 일어나는 무대이다.

 

지구과학

물리학, 화학, 생물학 등을 응용한 종합화학

수학

사고의 틀 자체를 연구

 

2) 과학이 우리에게 주는 의미

첫째는 과학적 사고방식이다. 실제 자연과학의 위력은 기술 응용에 있는 것이 아니라 과학적 사고에 있다. 둘째는 삶의 새로운 의미를 추구하는 것이다. 자연과학은 우주 전체를 근원적으로 이해하려는 시도이다. 셋째로, 과학은 현실적으로 인간의 삶과 밀접해있다. 과학은 현대사회에서 과학은 중대한 영향을 끼치고 있다. 예를 들어, 핵폭탄은 인류 전체를 파멸시킬 수도 있다. 넷째로, 과학은 문화의 중요한 근간이다. 문화유산의 공통점은 인간 활동을 통해 얻어진 산물이라는 것이다. 그러한 의미에서 과학은 인류의 가장 소중한 문화유산이라고 할 수 있다.

 

여기서 인간은 과학 탐구 활동의 대상이면서 과학 활동의 주체이다. 우리가 자연과학을 공부해야 하는 이유는, 과학적 사고의 빈곤을 피하기 위함이다. 과학적 사고가 빈곤하면 사회 정책 등이 비과학적인 경우가 발생한다. 우리는 인간, 사회, 자연에 대해 이해하여야 할 필요가 있다.

 

3) 과학의 아름다움과 대칭성

과학도 문화유산의 근간이며, 아름다움을 추구한다. 특히, 과학의 아름다움에는 ‘대칭성’을 들 수 있다. 대칭성은 아름다움의 표상 중 하나로, 기본 입자들 사이의 상호작용인 ‘기본 상호작용’에서도 대칭성을 확인할 수 있다.

기본 입자는 렙톤, 하드론, 쿼크 등을 들 수 있다. 렙톤은 6종류이고 전자, 중성미자 등이다. 쿼크는 하드론을 구성하는 입자들이다.

 

기본 입자는 대칭성을 갖는데, 입자와 그 반대 입자와 대칭성이 존재한다. 기본 상호작용은 중력, 전자기력, 약력, 핵력 등을 말하는 것으로, ‘게이지 입자’라는 알갱이가 상호작용을 매개해준다. 빛알, 중력알 등이 해당한다. 기본입자는 또 다른 입자를 구성한다. 쿼크가 세 개씩 모여 양성자와 중성자가 되고, 양성자 중성자가 모여 원자핵이 된다. 또한, 원자핵 주위의 전자가 렙톤인 전자가 분포해서 양성자, 중성자와 함께 하나의 원자가 된다.

물질의 법칙에도 대칭성이 있다.

 

나란히 옮김 대칭

장소를 옮겨도 물리 법칙은 변화가 없다. 운동량 보존 법칙이 이에 해당한다. 가속도가 있으면 대칭성이 깨진다.

방향 대칭

한 방향으로 힘을 주면 가속도가 생긴다.

시간 옮김 대칭

오늘 운동 법칙이 성립하면 내일도 성립한다. 에너지 보존 법칙이 이에 해당한다.

전하 켤레 변환

시간 되짚기

시간을 되짚어 가는 것. 운동 법칙은 시간 되짚기에 해당한다.

 

4) 과학적 사고

과학적 사고는 과학자의 중요한 소양이다. 과학적 사고는 기존 지식에 대해서 의식적으로 반성하는 것이다. 보편 지식은 권위가 있고 당연한 사실로 보이기도 한다. 하지만 과학적 사고를 통한 의식적 반성을 통해 과학을 발전시켜 나가는 것이 중요하다.

 

두 번째는 지식의 정량화이다. 객관성을 가지고 측정할 때 과학 원리는 정량화될 수 있다.

 

셋째는 지식의 실질적 검토이다. 실험은 확인의 과정이다. 이 과정은 유한한 과정이라 ‘확증’이 불가하지만, 반증은 한 번에 할 수 있다는 특징이 있다. 하지만 반증가능성을 지녀야 의미있는 과학 지식이라고 할 수 있다.

 

마지막으로, 단편적 지식들을 하나의 합리적 체계로 설명하려는 시도이다. 결국 보편적 지식 체계를 추구하는 것이다. 각 과학 분야의 특정 지식을 보편적 체계로 이해하려는 학문은 천체물리학, 화학물리학, 지구물리학, 생물 물리학 등이 있다.

 

현상 과학

특정 지식을 추구하는 학문 (생물학, 천문학, 지구과학)

이론 과학

보편 지식을 추구하는 학문 (물리학)

 

 

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2. 과학적 지식

1) 특정 지식과 보편 지식

특정 지식은 과학적 사실을 이야기한다. 감각 기관을 통해 정보를 얻는 과정이고, 다른 기구의 도움을 받기도 한다. 보편지식은 이론을 말한다. 단편적 특정 지식을 묶어서 하나의 체계로 이해하는 것이다. 과학적 사실은 이론과 깊은 관련이 있다.

새로운 과학 이론이 등장할 때 그것을 받아들일지는 기존의 ‘과학적 사실’을 근거로 생각해볼 수 있다. 브라헤의 관측과 케플러의 세 가지 법칙이 그 예이다. 고전역학이라는 보편 지식 체계에서는 짧은 유도를 통해 케플러의 법칙을 얻을 수 있고, 이를 ‘고전역학의 꽃’이라고 한다.

 

귀납적 추론이란 케플러가 자료를 분석해서 세 가지 법칙을 얻는 것과 같은 방법이다. 연역적 방법이란 보편 지식 체계를 만든 다음, 과학적 사실들을 얻어내는 방법이다.

 

2) 이론 구조

이론은 인간의 창작물이며, 상상력을 통해 만들어진다는 점에서 예술과 공통점을 가지고 있다. 추가적으로 논리적 정합성이 유지되어야한다는 특징이 있다. 이론 체계는 우리의 머릿속에 있다. 생각의 일종이므로 자연의 일부라 할 수 있으며, 정신적 창조물이기 때문에 ‘모형’이라는 표현이 적절하다. 자연에 실재하지 않기 때문이다. 이론은 측정과 관측을 통한 감각 경험으로 실제 세계와 접한다.

 

보편 지식(이론)은 개념과 함께 변천 과정을 겪는다. 진술은 이론에서 개념들 사이의 관계를 규정지어주는 요소로, 기본 원리와 가설의 형태를 띠는 ‘기본적 진술’과 기본 진술에서 얻어지는 진술로 나눌 수 있다.

 

받아들이고 출발해야하는 것을 수학에서는 ‘공리’, 자연과학에서는 ‘가설’, ‘기본 원리’라고 일컫는다. 기본적인 몇 가지는 전제해야 다음 이야기를 할 수 있다. 개념을 어떻게 정할 것인지는 임의성이 있다. 마음대로 세우는 것은 아니지만, 어디서 출발할 것인지 선택하는 것이다.

 

3) 좋은 이론

좋은 이론의 조건은 다음과 같다. 첫째, 이론에서 임의 요소가 있어도 너무 많지 않아야 한다. 몇 가지의 임의 요소에서 출발하되, 최대한 많은 관측 결과에 대해 올바르게 설명할 수 있어야 한다. 즉, 보편성이 클수록 좋다. 둘째, 관측 결과를 명확히 예측할 수 있어야 한다.

 

이론은 일어나지 않은 미래를 예측할 수 있어야 하며, 예측과 실제가 다르다면 반증이 된다. 유사과학이나 사이비 등은 반증가능성이 없으므로 좋은 이론이 아니다.

 

과학의 발전은 ‘보편적인 이론 체계를 구성하는 과정’이다. 이는 갈릴레이가 설명했던 물 리가 뉴턴, 아인슈타인의 이론으로 변화하는 과정을 예로 들 수 있다. 이론은 상상력에서 시작되어 논리적 정합성을 유지해나가면서 만들어진다.

 

4) 보편이론 체계의 예 : 대칭성 깨짐

과거, 자연 현상은 ‘물질’이라는 실제로 존재하는 것이 만드는 것이라 단정했다. 이런 기본 입자들도 대칭성을 가지고 있다. 하지만, 기본 입자들의 대칭성이 깨질 수 있는 경우가 존재한다. 이는 ‘정돈되었다’ 또는, ‘질서가 생겼다’고 표현할 수 있다. 대표적으로 물이 어는 현상이 있는데, 물은 질서가 없는 상태이고 얼음은 질서가 있는 상태이다. 입자가 무작위로 돌아다닐 경우, 어느 공간을 보아도 차이가 없다. 하지만 얼음처럼 정렬이 발생할 경우 모든 지점이 같지 않아 ‘나란히 옮김 대칭’이 깨진다. 

 

5) 과학 활동의 성격

하나의 이론에서 변칙이나 비정상성이 계속 발견되게 되면, 그 이론은 새로운 이론으로 대체된다. 이론의 전환기에는 두 가지의 패러다임이 함께 존재할 수 있다. 이러한 과정은 뉴턴의 고전역학이 아인슈타인의 상대성이론으로, 양자역학으로 교체되는 과학 역사에서 발견할 수 있다.