과학적 방법

1. 개요

과학적 방법은 경험적 관찰과 측정을 통해 진리를 탐구하는 체계적인 절차이다. 아랍의 과학자 이븐 알하이삼은 과학적 방법을 사용한 초기 과학자 중 한 명으로 여겨지며, 갈릴레오 갈릴레이는 실험의 중요성을 강조했다. 과학적 방법은 특성화, 가설 설정, 예측, 실험의 네 가지 기본 요소로 구성되며, 가설 연역 방법으로 정형화되었다. 과학적 방법은 믿음, 편견, 신화와 달리 경험적 증거에 기반하며, 반증 가능성을 통해 지식을 수정하고 발전시킨다. 과학적 방법은 과학철학과 과학사회학의 공리에 의해 뒷받침되며, 수학과 밀접한 관련을 맺으며 발전해 왔다. 과학적 지식은 동료 평가와 재현을 통해 검증되며, 기록을 통해 보존된다.

2. 역사

과학적 방법은 경험적 관찰과 측정을 이용하여 진리를 탐구하는 방법으로, 이븐 알하이삼은 과학적 방법을 사용한 최초의 과학자들 가운데 한 명으로 여겨진다. 과학적 방법은 알하이삼 이래 오늘날까지 최소한 천 년 동안 이루어져 왔다.

이븐 알하이삼은 1021년에 빛이 직진한다는 것을 추측이 아닌 관찰을 통해 증명하였는데, 이는 최초로 과학적 방법을 사용하여 자연 현상을 설명한 기록 가운데 하나이다.

과학적 방법을 정형화하는 데는 많은 어려움이 있었다. 과학사가이자 박물가였던 윌리엄 휴얼은 《귀납적 과학의 역사》(History of Inductive Science ^영어, 1837년)와 《귀납적 과학의 철학》(Philosophy of Inductive Science ^영어, 1840년)에서 과학적 방법의 각 단계를 정립하는 것에는 경험뿐만 아니라, 그 경험을 추상화하는 '발명, 총명함, 천재성'이 모두 필요하다고 적었다.

19세기 말, 과학적 방법은 가설을 세우고 실험을 통해 이를 검증하는 가설 연역 방법으로 정형화되었다.

"과학적 방법"이라는 용어는 20세기에 대중적으로 사용되기 시작했다. 듀이의 1910년 저서 How We Think는 사전과 과학 교과서에 등장하는 일반적인 지침에 영향을 주었지만, 그 의미에 대한 합의는 거의 없었다. 1960년대와 1970년대에는 토머스 쿤과 폴 파이어아벤트와 같은 과학 철학자들이 "과학적 방법"의 보편성에 의문을 제기했고, 과학을 균질하고 보편적인 방법이 아닌 이질적이고 지역적인 실천으로 보았다. 특히, 파이어아벤트는 1975년 저서 Against Method 초판에서 과학의 보편적인 규칙은 없다고 주장했다.

이후 물리학자 리 스몰린은 2013년 에세이 "과학적 방법은 없다"에서 두 가지 윤리적 원칙을 주장했다. 과학사가 다니엘 서스(Daniel Thurs)는 2015년 저서 뉴턴의 사과와 과학에 대한 다른 신화에서 과학적 방법은 신화이거나 이상화라고 결론지었다. 철학자 로버트 놀라와 하워드 샌키는 2007년 저서 과학적 방법 이론에서 과학적 방법에 대한 논쟁이 계속되고 있으며, 파이어아벤트는 Against Method라는 제목에도 불구하고 특정한 방법론적 규칙을 받아들이고 메타 방법론으로 그 규칙들을 정당화하려 했다고 주장했다.

스태든(Staddon, 2017)은 알고리즘적 과학적 방법이 없는 상태에서 규칙을 따르는 것은 잘못이며, "과학은 예시를 통해 가장 잘 이해된다"라고 주장한다. 그러나 실험을 통해 기존 이론을 반증하는 알고리즘적 방법은 알하젠(1027)의 광학의 서와 갈릴레오 갈릴레이(1638)의 두 가지 새로운 과학 이후로 사용되어 왔으며, 여전히 과학적 방법으로 남아 있다.

방송대학의 하마다 요시아키에 따르면, 과학적 방법의 고전적인 기본은 17세기에 데카르트가 『방법서설』에서 제시한 다음과 같은 원칙이다.

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📌 열 고정 해제

명료판명의 규칙	명백히 진리라고 인정된 것만을 판단의 기준으로 삼는다.
요소분해	해결 가능한 요소로 분해하여 고찰한다.
구체에서 추상으로	단순한 것부터 복잡한 것으로 순차적으로 인식을 진행시킨다.
종합	빠뜨린 것이 없는지 충분히 확인하여, 완전한 열거와 재구성에 의해 전체를 재구성한다.

이는 17세기에 제시된 것이지만, 하마다 요시아키는 "현재에도 연구 논문을 완성하는 지침으로 충분히 가치가 있다"고 평가한다.

2.1. 과학적 방법의 등장

과학적 방법은 경험적 관찰과 측정을 통해 진리를 탐구하는 방법이다. 아랍의 수학자이자 과학자인 이븐 알하이삼은 과학적 방법을 사용한 최초의 과학자 중 한 명으로 여겨진다. 알하이삼은 1021년 《광학의 서》에서 빛이 동일 매질에서 직진한다는 것을 실험으로 증명했는데, 이는 자연 현상을 설명하기 위해 과학적 방법을 사용한 초기 기록 중 하나이다. 이 책은 유럽에서 라틴어로 번역되어 자연 과학 발전에 큰 영향을 주었다.

1638년, 갈릴레오 갈릴레이는 《새로운 두 과학에 관한 수학자의 대화》(Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze^{이탈리아어})에서 자유낙하하는 물체에 대한 가설을 입증하는 실험의 중요성을 보여주었다.

과학 혁명 기간 동안 아이작 뉴턴의 고전 역학 수립, 라부아지에의 산소 발견, 찰스 다윈의 진화 이론, 그레고어 멘델의 유전 법칙 발견 등은 과학적 방법으로 새로운 지식을 발견한 대표적인 사례이다.

19세기 말, 과학적 방법은 가설을 세우고 실험을 통해 이를 검증하는 가설 연역 방법으로 정형화되었다.

2.2. 과학 혁명과 발전

프랜시스 베이컨은 경험주의를 강조했고, 르네 데카르트는 합리주의적 접근 방식을 제시했다. 갈릴레오 갈릴레이는 1638년 《새로운 두 과학에 관한 수학자의 대화》(Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze^{이탈리아어})에서 자유낙하하는 물체에 대한 가설을 입증하는 실험의 중요성을 보여주었다. 아이작 뉴턴의 고전 역학 수립은 과학적 방법 발전에 큰 영향을 주었다. 19세기 말, 과학적 방법은 가설을 세우고 실험을 통해 이를 검증하는 가설 연역 방법으로 정형화되었다.

2.3. 현대 과학과 과학적 방법

20세기 초, 과학철학은 과학적 지식의 절대성에 의문을 제기했다. 토머스 쿤은 패러다임 전환의 개념을 제시하여 과학 지식의 발전 과정을 설명했다. 칼 포퍼는 반증 가능성을 과학 이론의 중요한 기준으로 제시했다.

도다야마 가즈히사에 따르면, 과학적으로 좋은 이론은 다음과 같은 특징을 가진다.
* 결실이 풍부하다. 미지의 현상이 많이 예언되어 맞았다.
* 수비 범위가 넓다. 예언되거나 설명되는 현상이 광범위에 걸친다.
* 일정한 실적이 있는 다른 이론을 내포하고 있다. (ex: 양자역학은 에렌페스트의 정리 등에 의해 고전역학을 포함한다)
* 간단하다.

또한, 과학적으로 좋지 않은 이론은 반증 가능성의 관점에서 다음과 같은 특징을 가진다.
* 가설을 애매한 말로 표현하거나, 반증 조건을 명확하게 제시하지 않는다.
* 반증 사례가 나타났을 때 임시변통적인 가설을 덧붙여 가설을 방어한다.

하지만, 반증 사례로부터 가설을 지키기 위해 보조 가설을 추가할 때, 제대로 된 과학에서는 보조 가설을 합리적으로 추가하는 반면, 유사과학은 그렇지 않다는 특징이 있다.

현대 과학은 복잡한 현상을 다루기 위해 다양한 방법론을 활용하고 있다. 파인만은 현대 과학적 방법에서는 하나의 현상을 설명할 때 "왜 그렇게 되는가"라는 철학적 문제는 제쳐두고 "그 현상이 어떻게 행동하는가"에 주목하는 경향이 있다고 지적했다.

많은 과학적 이론의 성패는 실험으로 판정되지만, 이론의 옳고 그름은 이분법적으로 판정되지 않고, 신뢰성, 유의성, 적합도 등 통계적 척도로 평가되며, 그 값은 연속적으로 분포한다. 따라서 현대 과학적 방법으로 얻은 결과나 결론에는 적합도나 유의성을 나타내는 숫자가 붙는 경우가 많다. 또한, 여러 개의 이론이 병립하는 경우도 있으며, 각각의 이론은 별개의 결과를 산출할 수 있지만, 적합도가 거의 같으면 "거의 같이 옳다"고 판단한다.

조작주의적 정의의 입장에서 보면, 과학적 방법이란 다음과 같은 B군의 용어들로 특징지어지는 방법론이라고 할 수 있다.

* A군: 과학이 다루는 현상이나 대상, 지식 자체를 나타내는 용어 (예: DNA, RNA, 전자기 유도…)
* B군: 과학적 방법론의 특징을 나타내는 용어 (예: 가설, 검증, 추론 과정, 어브덕션…)

즉, B군의 용어나 수법을 사용하여 A군에 대해 "예측"하고, "기술적인 응용을 제공"하며, "설명"하는 것이 과학적 방법의 특징이다.

최근에는 빅데이터 분석 등 새로운 기술 발전이 과학적 방법에 변화를 가져오고 있다. 과학계는 재현성 위기에 직면하여 새로운 방법론을 모색하고 있으며, 통계학과 인공지능의 자연어 처리 및 기계 학습 기술을 결합하여 현대 과학 방법의 엄밀성을 평가하는 방법도 개발되고 있다.

3. 과학적 방법의 요소

과학적 방법은 특성화, 정의, 측정, 불확정성 평가, 가설 설정, 예측, 실험, 평가와 수정 등 여러 요소들의 상호 작용을 통해 이루어진다.

특성화는 연구 주제를 조작적으로 정의하고, 해당 현상에 대한 측정 단위와 방법을 정하는 과정이다. 예를 들어, 벤저민 프랭클린은 세인트 엘모의 불이 전기 방전 현상임을 증명하기 위해 정밀한 관측과 측정 방법을 개발했다. 특성화 과정에서는 만유인력의 법칙에서 질량과 거리만이 고려되는 것처럼, 현상에서 정량적이고 추상적인 개념을 추출한다.

정의는 측정을 위해 관련된 양에 대한 조작적 정의를 내리는 것이다. 예를 들어, 전류의 단위인 암페어는 국제도량형총회에서 엄밀하게 정의된다. 과학적 용어의 정의는 일상 언어와 다를 수 있으며, 아이작 뉴턴이 정의하지 않았던 시간과 공간은 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의해 동시성의 상대성을 가진 양으로 재정의되었다.

측정은 사이비과학과 자연 과학을 구분하는 중요한 기준이다. 측정 결과는 도표, 그래프 등으로 제시되며, 실험에서는 다른 요인의 영향을 막기 위해 통제된 환경에서 이루어진다.

불확정성은 과학에서 측정에 항상 따르는 요소이다. 반복 측정을 통해 오차 범위를 정하고, 측정불확도와 같은 지표를 사용한다. 원자 궤도처럼 관측 자체가 대상에 영향을 주는 경우 확률적 측정이 이루어진다.

가설은 현상을 설명하거나 원인을 제안하는 것이다. 과학자들은 귀납적 추론, 베이즈 추론 등 다양한 방법을 통해 가설을 세운다. 오컴의 면도날은 가장 단순한 가설을 선택하는 기준으로 사용된다.

예측은 가설을 통해 실험 결과나 자연 현상을 예측하는 것이다. 예측은 실험이나 관찰을 통해 검증 가능해야 하며, 검증 결과가 가설을 뒷받침하면 가설이 참일 확률이 높아진다. 아서 에딩턴은 일식 동안 빛이 휘는 현상을 관측하여 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 뒷받침했다.

실험은 가설을 검증하는 과정이다. 실험 결과가 예측과 일치하면 가설은 이론으로 발전할 수 있지만, 그렇지 않으면 가설은 수정되거나 폐기된다. 플로지스톤설은 연소 후 질량 증가 현상을 설명하지 못해 폐기되었다. 실험 통제는 예측되는 변인 외의 조건을 같게 하여 예측의 유효성을 검증한다.

평가와 수정은 과학적 방법의 순환적 특성을 보여준다. 새로운 증거에 따라 기존 가설은 수정되거나 새로운 가설이 제시된다. 과학적 지식은 반증 가능성을 가지며 절대적이지 않다. 평평한 지구와 같은 주장은 과학적 방법에 의한 것이 아니므로 사이비과학으로 취급된다. 과학은 사회적 활동이며, 과학계의 확인을 통해 그 업적이 인정된다.

3.1. 특성화

특성화란 연구 주제를 조작적으로 정의하고, 해당 현상에 대한 측정 단위와 방법을 정하는 작업이다. 과학적 방법은 연구 주제에 대한 세련된 특성화에 의존하며, 연구 주제는 해당 분야의 미해결 문제나 알려지지 않은 사실일 수 있다. 예를 들어 벤저민 프랭클린은 세인트 엘모의 불이 자연적인 전기에 의한 방전 현상임을 증명하고자 하였는데, 이를 위해서는 정밀한 관측과 측정 방법의 개발, 관련 주제에 대한 정의 등이 함께 이루어져야 했다.

과학적 방법에서 특성화는 관찰된 현상에서 정량적이고 추상적인 개념을 추출하는 과정을 포함한다. 예를 들어 만유인력의 법칙에 의한 두 물체 사이의 중력을 계량할 때에는 오로지 물체의 질량과 거리만이 고려되며, 지구 중력에 의해 떨어지는 사과의 색깔은 논의되지 않는다. 반면, 빛의 파장과 색상을 다룰 때에는 사과의 크기나 무게와 관계없이 색깔만이 연구 대상이 된다.

특성화 과정을 거쳐 조작적으로 정의된 양에 대한 측정은 여러 이유로 불확정성을 지닌다. 양 자체가 무리수 형태일 경우 적당한 오차 범위의 근삿값을 이용하는 것이 효율적이며, 측정 도구나 기법의 한계로 정확한 값을 측정하기 어려울 때는 여러 번 측정한 값들의 평균을 근삿값으로 이용할 수 있다. 전자 궤도와 같이 관찰 자체가 상태에 영향을 주어 본질적으로 불확정성을 지니는 현상은 확률적 분포나 통계적 해석을 근삿값으로 사용한다.

3.1.1. 정의

측정을 하기 위해서는 관련된 양에 대한 조작적 정의가 선행되어야 한다. 과학적 양은 필연적으로 그것을 계량할 수 있는 단위를 정의해야 한다. 과학적 측정에서는 부정확한 계량을 방지하기 위해 각각의 양에 대한 단위를 이상적으로 정의하여 둔다. 예를 들어 전류의 단위는 암페어이며 국제도량형총회에서는 다음과 같이 정의한다.

과학에 쓰이는 단위는 종종 질량이나 무게와 같이 자연 언어를 사용하기도 하지만, 이러한 단위 역시 역학과 같은 과학 분야에서는 엄밀하게 정해진 정의에 따라 사용된다. 이와 같이 과학적 양의 측정은 조작적으로 정의된 측정 단위를 사용한다.

새로운 과학적 지식의 수립은 기존의 측정 단위에 대한 개념과 정의를 바꿀 수도 있다. 예를 들어 아이작 뉴턴은 “일정하게 주어져 있는 시간과 공간 등에 대해서는 별도로 정의하지 않는다”고 하였지만, 알베르트 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 수립함으로써 시간은 더 이상 고정적인 어떤 것이 아니라 동시성의 상대성을 지닌 양이 되었다. 과학적 용어의 정의는 때때로 일상 언어에서의 용법과 상당히 다르다. 예를 들어, 질량(mass)과 무게(weight)는 일상적인 대화에서는 의미가 겹치지만, 역학에서는 뚜렷하게 다른 의미를 갖는다. 과학적 양은 종종 측정 단위로 특징지어지며, 연구 결과를 전달할 때는 관례적인 물리 단위로 설명될 수 있다.

어떤 용어들이 이전에 충분히 명확하게 정의되지 않았다는 것을 깨달은 후에 새로운 이론이 개발되는 경우가 있다. 예를 들어, 알베르트 아인슈타인의 상대성이론에 관한 첫 번째 논문은 동시성과 길이를 결정하는 방법을 정의하는 것으로 시작한다. 이러한 개념들은 아이작 뉴턴에 의해 "나는 시간, 공간, 장소, 그리고 운동을 모든 사람에게 잘 알려져 있으므로 정의하지 않는다."라고 언급되며 간과되었다. 아인슈타인의 논문은 그러한 개념들(즉, 절대적 시간과 운동과 무관한 길이)이 근사치였음을 보여준다. 프랜시스 크릭은 그러나 어떤 주제를 특징짓는 데 있어서, 그것이 여전히 잘 이해되지 않을 때 무언가를 정의하는 것은 시기상조일 수 있다고 경고한다. 크릭의 의식 연구에서 그는 예를 들어 자유 의지를 연구하기보다는 시각 시스템에서 각성을 연구하는 것이 더 쉬운 것을 발견했다. 그의 경고적인 예는 유전자였다. 유전자는 왓슨과 크릭이 DNA 구조를 발견하기 전에는 훨씬 더 잘 이해되지 않았으며, 그들 이전에 유전자의 정의에 많은 시간을 할애하는 것은 역효과였을 것이다.

3.1.2. 측정

체계적이고 신중한 측정을 통해 계량화하는 것은 사이비과학과 자연 과학을 구분하는 주요 기준이 된다. 측정 결과는 흔히 도표, 그래프, 지도 또는 상관분석이나 회귀분석과 같은 통계적 분석의 형태로 제시된다. 가설이나 이론이 예측하는 현상을 검증하기 위한 실험에서 이루어지는 측정은 다른 요소가 현상에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 통제된다.

측정을 하기 위해서는 관련된 양의 조작적 정의가 선행되어야 한다. 과학적 측정에서는 부정확한 계량을 방지하기 위해 각각의 양에 대한 단위를 이상적으로 정의하여 둔다. 예를 들어 전류의 단위는 암페어이며 국제도량형총회에서는 다음과 같이 정의한다.

과학에 쓰이는 단위는 종종 질량이나 무게와 같이 자연 언어를 사용하기도 하지만 이러한 단위 역시 역학과 같은 과학 분야에서는 엄밀하게 정하여진 정의에 따라 사용된다. 이와 같이 과학적 양의 측정은 조작적으로 정의된 측정 단위를 사용한다.

보다 정확한 측정을 위해 여러 가지 과학 도구가 사용되기도 한다. 부피의 측정을 위해 메스실린더를 사용하는 것을 예로 들 수 있다.

3.1.3. 불확정성

과학에서 측정은 항상 불확정성에 대한 평가를 동반한다. 불확정성은 종종 요구되는 양에 대한 반복적인 측정으로 평가된다. 즉, 반복하여 측정된 양을 평가하고 계산하여 불확정성의 정도를 파악할 수 있다. 예를 들어 반복하여 측정된 양의 평균을 측정값으로 정하여 오차의 범위를 정할 수 있다. 불확정성의 정도를 나타내는 지수로 측정불확도가 있다.

인구와 같이 시시각각 변하는 양은 측정하는 동안에도 계속 변하기 때문에 특정 시점에서의 측정값에는 어느 정도의 오차가 필연적으로 발생한다. 원자 궤도와 같은 경우에는 관측 자체가 대상의 상태를 변화시키므로 확률적인 측정만이 가능하다.

3.2. 가설

가설은 현상을 설명하거나, 현상이 일어나는 가능성 있는 원인에 대한 제안이다. 보통 가설은 수학적 모형의 형태로 제시되며, 존재 한정이나 전칭 한정의 형태로 제시되기도 한다.

과학자들은 자신의 창의성, 다른 분야의 아이디어, 귀납적 추론, 베이즈 추론 등 모든 자원을 사용하여 연구 중인 현상에 대한 가능한 설명을 상상한다. 알베르트 아인슈타인은 "현상과 그 이론적 원리 사이에는 논리적 다리가 없다"고 말했다. 찰스 샌더스 피어스는 아리스토텔레스의 전분석편(2.25)을 인용하여 "의심의 자극"으로 시작되는 탐구의 초기 단계를 타당한 추측을 하는 추리라고 설명했다. 과학사에는 과학자들이 "영감의 번개"나 직감을 주장하고, 그 후 아이디어를 뒷받침하거나 반박하는 증거를 찾은 사례가 많다. 마이클 폴라니는 이러한 창의성을 방법론 논의의 중심으로 삼았다.

과학자들은 "우아한" 또는 "아름다운" 이론을 찾는 경향이 있으며, 알려진 사실을 따르면서도 비교적 단순하고 다루기 쉬운 이론을 선호한다. 오컴의 면도날은 동등하게 설명적인 가설 중에서 가장 바람직한 것을 선택하는 경험 법칙으로 사용된다.

확증 편향을 최소화하기 위해, 강한 추론은 여러 대안 가설을 고려하고 인공물을 피해야 한다고 강조한다.

3.2.1. 가설에 따른 예측

가설은 현상을 설명하거나, 현상이 일어나는 가능성 있는 원인에 대한 제안이다. 보통 가설은 수학적 모형의 형태로 제시된다. 가설은 현상의 원인을 설명하고 이에 따라 현상을 예측할 수 있어야 한다. 가설에 따른 예측은 실험이나 자연 현상의 관찰을 통해 검증할 수 있다. 가설에 따른 예측이 검증되기 이전까지 가설은 어디까지나 그럴 수 있는 가능성 만을 의미할 뿐이며 실제와 부합하는지 확인되지 않은 설명으로 취급된다. 실험이나 관찰에 의해 검증할 수 없는 가설은 비과학적인 것으로 취급된다. 과학적 가설에 따른 예측은 측정 가능하고 실험이나 관찰을 통해 검증할 수 있는 것이어야 한다.

유용한 가설은 추론(여기에는 연역적 추론 포함)을 통해 예측을 가능하게 한다. 실험실 환경에서 실험 결과 또는 자연 현상의 관찰을 예측할 수 있다. 예측은 통계적일 수도 있으며, 확률만을 다룰 수도 있다.

이러한 예측의 검증 결과가 현재 알려지지 않은 것이 필수적이다. 이 경우에만 성공적인 결과가 가설이 참일 확률을 높인다. 결과가 이미 알려져 있다면, 이는 결과로 간주되며, 가설을 공식화하는 동안 이미 고려되었어야 한다.

예측이 관찰이나 경험을 통해 접근할 수 없다면, 그 가설은 아직 검증 가능하지 않으며, 따라서 엄격한 의미에서 비과학적인 상태로 남아 있을 것이다. 새로운 기술이나 이론이 필요한 실험을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 다른 지적 종의 존재에 대한 가설은 과학적으로 기반을 둔 추측으로 설득력이 있을 수 있지만, 알려진 어떤 실험도 이 가설을 검증할 수 없다. 따라서 과학 자체는 그 가능성에 대해 거의 말할 수 없다. 미래에 새로운 기술이 실험적 검증을 허용할 수 있으며, 그 추측은 그때 받아들여진 과학의 일부가 될 것이다.

예를 들어, 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 시공간의 관측 가능한 구조에 대해 빛이 중력장에서 휘어진다는 것, 그리고 휘어지는 양이 그 중력장의 세기에 따라 정확하게 달라진다는 것과 같이 몇 가지 구체적인 예측을 한다. 아서 에딩턴의 1919년 일식 중에 이루어진 관측은 뉴턴의 중력보다는 일반 상대성 이론을 뒷받침했다.

3.2.2. 예측의 사례: 일반 상대성 이론

아인슈타인은 일반 상대성 이론을 통해 빛이 중력장에서 휠 수 있다는 예측을 했다. 일반 상대성 이론에 따르면 강력한 중력장은 시공간 자체를 변형시키기 때문에 빛 자체는 직진하더라도 제3자가 보면 곡선으로 보일 수 있다. 예를 들어 블랙홀 같은 큰 중력장은 배경 천체의 빛에 영향을 주어, 제3자가 보기에 렌즈처럼 천체의 상이 여러 개로 보이는 중력 렌즈 현상을 일으킬 수 있다. 아서 에딩턴은 1919년 개기 일식 때 중력 렌즈 현상을 관측하여 이를 입증하였다.

3.3. 실험

가설에 따른 예측은 실험을 통해 검증되어야 한다. 실험 결과가 예측과 일치한다면 가설은 보다 타당한 설명으로 인정받으며, 여러 차례의 실험 결과 가설에 따른 예측이 계속 들어맞는다면 가설은 이론으로 받아들여진다. 반대로, 실험 결과가 예측과 다르면 가설은 의심받게 되고, 계속하여 가설에 따른 예측과 실험 결과가 다르면 가설은 현상을 설명하는데 부적합한 것으로 취급되어 변경되거나 폐기된다. 예를 들어 플로지스톤설은 연소 뒤에 오히려 질량이 증가하는 현상을 설명하지 못하여 산소의 발견과 함께 폐기되었다.

실험은 가설을 검증하기 위한 시험이다. 예측의 유효성을 확인하기 위해 이루어지는 실험은 다른 요인에 의한 간섭을 배제하기 위해 통제되며, 정량적인 측정을 통해 예측을 검증한다. 실험 통제는 측정하고자 하는 변화 이외의 조건을 같게 한 상태에서 예측되는 변인을 추가하는 실험군과 그렇지 않은 대조군을 비교함으로써 예측이 현상에 부합하는 지를 시험한다. 예를 들어 그리피스 실험에서 파괴된 r형 폐렴균과 s형 폐렴균이 혼합된 주사는 실험군이고, r형 폐렴균만으로 이루어진 주사는 대조군이 된다. 그리피스 실험의 결과 DNA가 형질전환을 일으키는 유전 물질임이 증명되었다.

3.3.1. 실험 통제의 사례: 멘델의 실험

멘델은 완두콩을 오랫동안 자가수분하여 특정한 유전형질이 고정된 순종을 얻었다. 그리고 일곱 가지 대립되는 유전형질을 선택하여 이를 잡종 교배할 경우 자식 세대에 발현되는 형질은 어떻게 되는지 관찰하였다.

멘델은 7가지 대립형질을 잡종 교배하였을 때 자식 세대에서 나타나는 발현 빈도를 조사하였다. 순종 간의 교배에서 바로 다음의 자식은 모두 대립 형질 중 한 가지의 특징만을 보였으며, 이를 다시 자가 수분하여 얻은 제2세대에서는 대립형질의 발현 빈도가 일정한 비율을 이루었다. 멘델은 이 실험 결과를 토대로 유전법칙을 수립하였다.

3.4. 평가와 수정

과학적 방법은 각 요소 간의 상호 반응에 따라 이루어지는 과정이다. 새로운 증거가 제시되어 기존의 가설이 반증되면, 새로운 가설을 수립하거나 기존 가설을 수정해야 한다. 과학적 지식은 절대적이지 않으며 언제나 반증 가능성이 있다.

예를 들어, 평평한 지구나 지적설계론과 같이 기존의 과학 이론을 부정하는 주장이 과학으로 받아들여지지 않고 사이비과학으로 취급되는 까닭은 이러한 반론이 과학적 방법에 의한 것이 아니라 주장하는 사람들의 믿음이나 편견에 기인한 것이기 때문이다.

과학은 사회적인 활동이다. 과학 연구는 과학계에서 확인될 때 그 업적이 인정된다. 한두 번의 실험 결과만으로는 새로운 과학적 지식이 인정되기 어렵다. 반복적인 실험을 통해 다른 과학자들 역시 동일한 결과를 확인하면 일반적으로 받아들여져 과학 이론으로 인정된다.

과학 이론은 다양한 범위에서 관찰된 설명들을 모은 것이다. 원자 이론, 진화 이론 등의 과학 이론은 대부분 진실로서 받아들여진다. 그러나 과학에는 불확실성에 대한 여러 가지 단계가 있을 뿐 완전히 확실한 것은 없다. 과학 이론 역시 나중에 나오는 증거에 의해 바뀔 가능성이 얼마든지 있다.

4. 과학적 방법의 특징

과학적 방법은 경험을 바탕으로 한 귀납적 결론을 도출한다. 따라서 과학적 방법에 따른 지식은 확고부동한 것이 아니라, 언제나 반증될 가능성을 지닌다. 즉, 새로운 연구 결과에 따라 과거의 과학 지식이 수정되거나 폐기될 수 있다. 아인슈타인은 "아무리 많은 실험을 하더라도 내가 옳다고 단정할 수는 없다. 단 하나의 실험으로도 내가 틀렸다는 것이 드러날 수 있기 때문이다"라고 말했다.

카를 구스타프 헴펠은 과학적 방법이 귀납에 의존하기 때문에 도출된 결론은 통계적인 것이며, 가설을 보강하기 위해서는 베이즈 정리에 따른 엄격한 분석이 필요하다고 지적했다. 루트비히 플렉을 비롯한 과학자들은 과학자의 경험 자체가 편향된 것일 수 있으므로 보다 신중하게 접근할 필요가 있다고 보았다.

F. N. 컬린저는 과학적 방법의 특징을 다음과 같이 정리하였다.

과학적 탐구에 사용되는 기본 방법을 설명하는 데는 여러 가지 방법이 있다. 과학계와 과학철학자들은 일반적으로 방법 구성 요소 분류에 동의한다. 이러한 방법론적 요소와 절차 구성은 실험 과학보다 사회 과학에서 더욱 특징적이다. 가설 설정, 결과 검정 및 분석, 새로운 가설 설정의 순환은 과학적 방법의 일반적인 순환과 유사하다. 과학적 방법은 정보가 지속적으로 수정되는 반복적이고 순환적인 과정이다. 일반적으로 다음 요소들을 통해 지식 발전이 이루어진다.

과학적 방법은 따라야 하는 표준과 절차 집합이 아니라, 더 유용하고 정확하며 포괄적인 모델과 방법을 개발하는 지속적인 순환이다. 아인슈타인이 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론을 개발했을 때, 뉴턴의 프린키피아를 반박하거나 무시하지 않았다. 아인슈타인의 이론에서 천문학적으로 거대하고, 매우 가볍고, 매우 빠른 것들을 제거하면 뉴턴의 방정식이 남는다. 아인슈타인의 이론은 뉴턴의 이론을 확장하고 개선한 것이다.

과학적 방법의 진행 지침

# 질문 정의
# 정보 및 자료 수집 (관찰)
# 설명적 가설 형성
# 재현 가능한 방식으로 실험을 수행하고 데이터를 수집하여 가설 검정
# 데이터 분석
# 데이터 해석 및 새로운 가설의 출발점이 되는 결론 도출
# 결과 발표
# 재검정 (종종 다른 과학자들이 수행)

이러한 단계는 3번에서 6번으로, 다시 3번으로 돌아가는 순환을 반복한다.

폴 파이어아벤트를 포함한 많은 과학 철학자, 역사가, 사회학자들은 과학적 방법에 대한 이러한 설명이 실제로 과학이 수행되는 방식과 거의 관련이 없다고 주장한다.

연역 추론과 귀납 추론은 진리에 대한 두 가지 상반된 정당화 방식이다. 과학적 방법의 역사에서 분석 대 합성, 비확장적/확장적 또는 확인과 검증으로 나타났다. 하나는 관찰된 것을 사용하여 기본적인 진리로 나아가고, 다른 하나는 그러한 기본적인 진리로부터 더 구체적인 원리를 도출한다.

연역 추론은 이전에 참으로 밝혀진 것을 기반으로 지식을 구축한다. 이전의 확립된 사실을 가정하고, 가정의 진실성을 고려할 때, 타당한 연역은 결론의 진실성을 보장한다. 귀납 추론은 확립된 진리가 아닌 관찰 집합으로부터 지식을 구축한다. 인지적 가정이 초기 인식의 해석을 왜곡할 수 있기 때문에 관찰된 현상에 대해 엄격한 회의주의가 필요하다.

귀납적 추론과 연역적 추론의 예는 중력 이론의 역사에서 찾을 수 있다. 칼데아, 인도, 페르시아, 그리스, 아랍, 유럽 천문학자들의 수천 년에 걸친 측정을 통해 행성 지구의 운동을 기록했다. 요하네스 케플러는 수집된 데이터를 귀납적으로 일반화하여 초기 이론을 구축했고, 아이작 뉴턴은 1727년에 그의 운동 법칙으로 이전 이론과 측정을 통합했다.

귀납 추론의 또 다른 예는 현재 이론에 대한 반례 관찰이 새로운 아이디어의 필요성을 유발하는 것이다. 1859년 위르뱅 르베리에는 수성의 근점에 대한 문제점을 지적하여 뉴턴의 이론이 불완전함을 보였다. 뉴턴 이론과 관찰 사이의 수성의 세차 운동의 관찰된 차이는 알베르트 아인슈타인에게 그의 상대성 이론의 초기 검증으로 떠올랐다. 그의 상대론적 계산은 뉴턴 이론보다 관찰과 더 일치했다. 하지만 오늘날의 표준 모형은 우리가 아인슈타인의 이론을 둘러싼 개념의 일부를 여전히 알지 못한다는 것을 시사하지만, 오늘날까지 유효하며 연역적으로 구축되고 있다.

이론이 참으로 가정되고 그 후에 구축되는 것은 연역 추론의 일반적인 예이다. 아인슈타인의 업적에 기반한 이론 구축은 '이 경우가 일반/특수 상대성이 적용되는 조건을 충족한다는 것을 보여주었으므로, 그 결론도 적용됩니다'라고 말할 수 있다. '이 경우'가 조건을 충족한다는 것이 제대로 증명되었다면 결론이 따른다. 미해결 문제에 대한 해결책을 가정하는 약한 종류의 연역 추론은 현재 연구에서 사용되며, 여러 과학자 또는 연구팀이 더 큰 이론을 증명하기 위해 점진적으로 특정 사례를 해결하고 있다. 새로운 증거가 나타남에 따라 가설이 반복적으로 수정되기도 한다.

귀납적 추론과 연역적 추론을 제시하는 방식은 과학이 반복되는 순환으로 제시되는 이유의 일부를 보여준다. 그 순환의 기초는 절차가 아니라 추론에 있다는 것을 명심하는 것이 중요하다.

4.1. 진리와 믿음

이븐 알하이삼이 광학 연구를 통해 진리를 탐구했던 것처럼, 과학의 목표는 진리를 밝혀내는 것이다. 하지만 과학적 방법으로 얻은 진리는 믿음, 종교, 신화 등에서 말하는 진리와는 다르다. 과학적 진리는 경험적이고 귀납적인 것으로, 반증 가능성을 항상 가지고 있다. 즉, 과학이 발전하면서 과학 지식은 그 의미와 내용이 바뀔 수 있다.

19세기까지 과학적 지식은 자연주의와 실증주의를 바탕으로 객관적 진리로 여겨졌다. 그러나 20세기에 들어 과학철학은 과학적 지식에 대한 절대적 기준을 비판했다. 과학적 지식은 이론에 의존하고, 관찰 역시 이론에 기초하기 때문에 관찰 결과를 절대적으로 신뢰하는 행동주의는 옳지 않다는 것이다. 비트겐슈타인 등 언어철학자들은 논리적 추론 자체가 언어 게임의 산물이며, 보편적인 과학적 방법을 확립하는 데 한계가 있다고 지적했다. 토머스 새뮤얼 쿤은 과학 지식의 발전과 변화를 패러다임의 전환으로 설명했다. 그럼에도 불구하고 과학적 지식은 스스로 오류를 수정하며 새로운 결과로 자신을 재구성함으로써, 보다 보편타당한 진리에 접근한다. 과학적 방법은 이러한 과정을 통해 상대적 진리에 접근하는 것이다.

믿음, 편견, 신화, 확신 등이 종교적 권위나 문화적 관습에 의존하거나 절대적 가치를 주장하는 것과 달리, 과학적 지식은 적절한 증거에 의해 언제든 수정될 수 있는 경험적 지식 체계이다.

4.2. 믿음과 편견

믿음은 관찰된 사실을 왜곡할 수 있다. 인간의 심리에는 확증편향이 있기 때문에, 자신이 믿는 바에 따라 발견법을 적용하고, 다른 관찰자가 그것의 오류를 지적하려는 경우에도 기존의 믿음을 고수하려는 경향이 있다. 연구자들은 종종 처음 관찰되는 것은 불명확한 어떤 것으로 기록하지만 두 번, 세 번 관찰된 것은 “확고한 사실”로 기록하게 된다. 특히 5가지 성격 특성 요소에서 말하는 경험에 대한 개방성이 부족하거나, 일시적인 관찰을 가지고 결론을 내리거나, 자신을 너무 과신하거나, 새롭게 인식되는 것을 거부하는 것과 같은 심리에 의해 잘못된 관찰이 이루어질 수 있다.

조지프 니덤은 《과학과 중국 문명》에서 편견에 의해 잘못된 관찰이 이루어지는 경우로 아래의 그림과 같은 사례를 제시하였다. 즉, 말이 “날아가듯 달린다”는 편견 때문에 달리는 말이 앞다리와 뒷다리를 모두 땅에서 떼고 정말 나는 것처럼 표현한 그림이 자주 등장하지만, 에드워드 마이브리지의 사진에서처럼 실제로는 같은 자세일 때 달리는 말의 네 다리 가운데 어느 하나는 땅에 닿아 있다.(말의 네 다리가 모두 땅에서 떨어질 때는 오히려 모든 다리가 안쪽을 향할 때이다.)

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루트비그 플렉은 이러한 잘못된 인지가 인간이 갖는 자기 실현적 예언 심리 때문이라 설명한다. 즉, 인간은 기존에 갖고 있는 믿음 때문에 관찰된 사실을 혼동하거나 잘못 해석할 수 있다는 것이다. 이는 가설의 수립과 실험에도 반영될 수 있다. 스티븐 제이 굴드는 《인간에 대한 오해》에서 인종적 편견 때문에 뇌 용량 측정과 같은 실험에서 잘못된 가설과 실험이 진행된 사례를 제시하고 있다. 이 때문에, 가설을 검증하기 위한 실험은 실험군과 대조군에 대한 조건 통제를 명확히 하여 편견의 개입을 차단하여야 하며, 과학계의 다른 연구자들이 이를 검증할 수 있도록 하여야 한다.

4.3. 확신과 신화

믿음은 관찰된 사실을 왜곡할 수 있다. 인간 심리에는 확증편향이 있기 때문에, 자신이 믿는 바에 따라 발견법을 적용하고, 기존의 믿음을 고수하려는 경향이 있다.

조지프 니덤은 《과학과 중국 문명》에서 편견에 의해 잘못된 관찰이 이루어지는 경우로 오른쪽 그림과 같은 사례를 제시하였다. 즉, 말이 “날아가듯 달린다”는 편견 때문에 달리는 말이 앞다리와 뒷다리를 모두 땅에서 떼고 나는 것처럼 표현한 그림이 자주 등장하지만, 에드워드 마이브리지의 사진에서처럼 실제로는 같은 자세일 때 달리는 말의 네 다리 가운데 어느 하나는 땅에 닿아 있다. (말의 네 다리가 모두 땅에서 떨어질 때는 오히려 모든 다리가 안쪽을 향할 때이다.)

루트비그 플렉은 이러한 잘못된 인지가 인간이 갖는 자기 실현적 예언 심리 때문이라 설명한다. 즉, 인간은 기존에 갖고 있는 믿음 때문에 관찰된 사실을 혼동하거나 잘못 해석할 수 있다는 것이다. 스티븐 제이 굴드는 《인간에 대한 오해》에서 인종적 편견 때문에 뇌 용량 측정과 같은 실험에서 잘못된 가설과 실험이 진행된 사례를 제시하고 있다.

과학 이론은 다양한 범위에서 관찰된 설명들을 모은 것이다. 원자 이론, 진화 이론 등의 과학 이론은 대부분 진실로서 받아들여진다. 그러나 과학에는 불확실성에 대한 여러 가지 단계가 있을 뿐 완전히 확실한 것은 없다. 과학 이론 역시 나중에 나오는 증거에 의해 바뀔 가능성이 얼마든지 있다.

5. 과학적 방법의 사례: DNA 연구

DNA의 구조에 대한 연구는 과학적 방법의 전형적인 사례를 보여준다. 1940년대 오즈월드 에이버리 등의 실험을 통해 DNA가 유전 물질임이 밝혀졌지만, 1950년까지도 그 메커니즘은 밝혀지지 않고 있었다. 프랜시스 크릭과 제임스 왓슨은 DNA가 나선형 구조를 가지고 있을 것이라는 가설을 세웠다. 담배 모자이크 바이러스 실험을 통해 왓슨은 크릭의 나선 모형에 주목하였고, X선 회절 실험을 통해 DNA 구조에 대한 예측을 검증하고, 사진 51을 통해 자신들의 예측이 옳다는 것을 입증하였다. 이러한 반복 실험과 재현을 통해 DNA 이중 나선 구조는 과학 이론으로 인정받게 되었다.

6. 과학계의 커뮤니케이션

과학은 사회적인 활동이며, 과학 연구는 과학계에서 확인될 때 그 업적이 인정된다. 한두 번의 실험 결과만으로는 새로운 과학적 지식이 인정되기 어렵다. 반복적인 실험을 통해 다른 과학자들 역시 동일한 결과를 확인하면 일반적으로 받아들여져 과학 이론으로 인정된다.

과학적 방법은 검증과 일반화의 단계가 반드시 필요하기 때문에 한 사람의 연구만으로는 이루어질 수 없다. 과학자들은 연구 결과를 발표하고 다른 연구 결과를 검토하면서 소통하며, 이러한 과학자들의 커뮤니케이션 체계를 과학계라고 한다.

6.1. 평가

과학 저널은 동료 평가를 통해 과학적 방법에 의해 얻어진 과학 지식을 검토하고 평가한다. 과학 저널의 편집진들은 기고된 논문을 심사하고 내용의 적절성이나 출판 유무를 결정한다. 이러한 역할 때문에 네이쳐나 사이언스와 같은 저명한 과학 저널에 수록되어 출판된 논문은 일반적으로 보다 합리적인 가설이나 이론으로 인정되고 있다. 그러나, 과학 저널에 수록된 논문이라도 간혹 잘못된 것일 수 있다. 또한, 동일한 패러다임을 공유하는 과학계의 집단사고는 기존의 이론을 반증하는 새로운 연구 결과를 쉽게 받아들이지 못하는 경우도 있다.

6.2. 재현

실험 결과는 오류에 의해 왜곡될 수 있다. 이렇게 왜곡된 실험 결과를 바탕으로 수립된 가설을 확신하는 것은 병적 과학과 같은 잘못된 과학 지식이 만들어지는 원인이 된다. 예를 들어, 프로스페-르네 브롱드로는 X선에 대한 편광 분석을 하다 일어난 실험 오류를 객관적 관찰로 착각하여 새로운 전자기파인 N선을 발견하였다고 주장하였다. 이러한 오류를 방지하기 위해 과학적 방법에 따른 실험은 그 결과가 언제나 재현될 수 있어야 한다. 즉, 동일한 실험 통제 아래서 동일한 실험 과정을 거치면 언제나 동일한 결과가 나와야 한다.

6.3. 기록

과학적 방법에 의해 얻어진 새로운 가설, 이론, 실험 결과 등은 과학 저널이나 전문 학술지를 통해 발표되고 보관된다. 컴퓨터와 인터넷의 발달로 과학 지식을 전자적 데이터베이스로 보관하는 것이 가능해졌다. 과학계는 기록된 기존 지식을 검토하고 인용하여 새로운 과학 지식을 연구하는 기반으로 삼는다.

7. 배경 학문

과학적 방법은 과학철학 및 과학사회학과 같은 배경 학문이 제시하는 공리에 의해 적합성이 인정되고 있다.

과학철학은 과학적 방법의 논리를 뒷받침하며, 과학사회학은 과학적 방법의 사회적 측면을 연구한다.

7.1. 과학철학

과학철학은 과학적 방법의 논리적 기반을 제공하며, 과학의 영역과 비과학의 영역을 구분하는 과학의 경계 문제와 연구윤리와 같은 주제를 다룬다.

과학철학은 과학이 세계에 객관적으로 실재하는 대상을 다루며, 인간이 이러한 실제 세계를 탐구하여 존재 방식을 설명할 수 있다고 가정한다. 이는 자연주의 철학에서 유래한 경험론은 반증 가능성과 진리의 관계를 도입했고, 논리실증주의는 입증 가능한 객관적 실체를 강조하였다.

토머스 쿤은 《과학 혁명의 구조》에서 과학 지식이 외부 요인에 영향을 받는 패러다임 형태로 형성된다고 주장하여, 상대주의적 관점 확산에 기여했다. 1958년 노우드 러셀 헨슨은 관찰과 설명이 관찰자의 프레임워크에 의해 영향을 받는다고 설명했다. 그는 골지체 발견 과정의 학계 반응과, 티코 브라헤와 요하네스 케플러가 동일한 관측 기록으로 다른 설명을 수립한 사례를 예로 들었다. 폴 페이어번드는 과학적 방법이 과학 이외의 요소에 영향을 받는다고 지적한 대표적인 인물이다.

7.2. 과학사회학

과학사회학은 과학적 방법의 사회적 측면을 연구한다. 과학 지식의 사회학은 과학의 근본적인 방법이 사회학적이라고 주장한다. 이러한 관점에서 과학 사회학은 과학적 사고의 사회적 맥락을 분석하는 것으로 볼 수 있다. 그러나 대부분의 사회학자들은 과학적 사고가 전통보다는 이성에 의해 지배되며, 이성적이기 때문에 "비논리적" 사회적 힘에 의한 결정을 피하기 때문에 다른 사고 방식과 구별된다고 인정한다.

루트비히 플렉과 토머스 쿤의 정상 과학 개념에서 엿볼 수 있는 설명에 따르면, 과학자들의 연구는 합리적으로 재구성할 수 없는 사고방식에 기반하며, 이는 학습 경험을 통해 내재화된다. 과학은 사고 집단이라는 공유된 가정의 전통에 기반하여 발전하며, 이러한 현상은 그룹 구성원에게는 대부분 보이지 않는다.

브루노 라투르와 스티브 울가의 학술 과학 연구소에 대한 현지 조사를 바탕으로, 카린 크노르 체티나는 입자 물리학과 분자생물학 두 과학 분야에 대한 비교 연구를 수행했다. 그 결과, 두 과학 공동체 내의 인식론적 관행과 추론이 "인식론적 문화"라는 개념을 도입할 정도로 충분히 다르다는 결론을 내렸다. 이는 소위 "과학적 방법"이 독특하고 통합적인 개념이라는 생각과는 상반된다.

8. 수학과의 관계

미분적분학의 발전은 고전 역학의 발전과 뗄 수 없을 정도로 밀접하게 관련되어 있을 정도로, 과학의 역사에서 수학과 과학은 서로의 발전에 많은 영향을 미쳤다. 그러나 수학은 공리에서 출발하여 연역적 논리의 전개에 따라 명제를 증명하는 학문이고, 과학은 귀납적 현상의 원인을 설명하기 위해 수학적 모형을 제시하는 것이므로, 수학적 지식과 과학적 지식은 전혀 다른 범주의 진리이다. 하지만 실제 현상들 가운데 많은 것들이 수학적 관계를 갖는다. 과학자들의 연구 결과, 실제 현상들 가운데 많은 것들이 수학적 관계를 가지고 있다는 것이 계속해서 밝혀지고 있다. 과학적 방법을 통해 관찰한 내용은 수집, 비교, 평가되어 모형으로 제시된다. 모형은 시뮬레이션, 수식, 화학식, 또는 단계 등으로 나타낼 수 있다. 연구자들은 알려진 것으로부터 알려지지 않은 것을 탐구하기 위해 종종 수학을 이용한다.

수학적 방법과 과학적 방법은 아래 표와 같이 세부적으로 다르지만, 반복적 또는 재귀적 단계를 사용한다는 점에서 서로 닮았다.

수학적 작업과 과학적 작업은 서로에게 영감을 줄 수 있다. 예를 들어, 시간이라는 기술적 개념은 과학에서 발생했고, 시간 초월성은 수학 주제의 특징이었다. 그러나 오늘날 푸앵카레 추측은 물체가 흐를 수 있는 수학적 개념으로 시간을 사용하여 증명되었다(리치 흐름 참조).