실험

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1. 개요

실험은 다양한 분야에서 이론을 검증하고, 현상을 탐구하며, 새로운 이론을 개발하거나 정책 입안에 기여하기 위해 수행되는 연구 방법이다. 실험은 독립 변수를 조작하고 종속 변수를 측정하는 사회 연구 방법으로, 무작위 할당과 반복을 통해 편향을 줄이고 혼합 요소를 제어한다. 실험은 통제된 환경에서 가설을 증명하는 제어 실험, 자연적인 현상을 관찰하는 자연 실험, 현실적인 환경에서 결과를 도출하는 현장 실험, 그리고 변수를 조작하지 않고 현상을 관찰하는 관측 실험으로 분류된다. 실험 방법론은 이븐 알 하이삼, 프랜시스 베이컨, 갈릴레오 갈릴레이, 앙투안 라부아지에, 루이 파스퇴르 등의 과학자들에 의해 발전해 왔으며, 과학철학, 교육 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다.

2. 실험의 정의 및 종류

실험은 서로 경쟁 관계에 있는 모델이나 가설을 비교하고 대조하는 과학적 방법론의 한 단계이다.^[25]^[26] 실험은 또한 이미 존재하는 이론이나 새로운 가설을 뒷받침하거나 반증하는 데 사용된다. 과학적인 의문에 대한 답변을 얻거나 문제에 대한 조사를 위해 실험을 설계하고 수행할 수 있다.

좋은 실험은 대체로 특정 가설을 검증한다. 하지만, 실험은 질문이나 이전 실험의 결과를 테스트할 수도 있다. 실험의 모든 요소를 파악하고 정확한 결과를 얻는 것은 실험 과정에서 가장 중요하다. 신중하게 수행된 실험 결과는 가설을 뒷받침하거나 반증할 것이다. 여기서 주목해야 할 점은 실험은 가설을 단지 뒷받침할 수만 있을 뿐, 절대 "증명"할 수는 없다는 것이다. 그러나 반복되는 실험에서 단 하나의 반례라도 이론이나 가설을 반증할 수 있다. 또한 실험은 반드시 변인-실험의 정확성, 반복 가능성, 결과 해석에 영향을 미칠 수 있는 모든 요인-이 정확하게 통제된 상태에서만 이루어져야 한다.^[27]

원인과 결과를 설명하는 가설을 증명하기 위해, 실험은 종종 몇 가지 사실을 보여야 한다. 예를 들어, 피실험자나 실험체에 특정 기작이 가해진 뒤에 현상이 발생하고, 이러한 기작이 가해지지 않으면 현상이 발생하지 않음을 보여야 한다.

이타쿠라 세이센(1930년 - 2018년)은 과학사, 교육학, 과학교육사 전문가로, 실험에 대해 다음과 같이 설명했다.

> 인간이 대상을 향해 목적 의식을 갖고 작용하는 활동이며, 대상의 인식 그 자체를 목적으로 하는 활동이다.

또한 이타쿠라 세이센은 실험과 실험이 아닌 활동을 구분하는 기준으로 '예상'과 '목적 의식'을 제시하며 다음과 같이 설명했다.

> 실험은 반드시 대상 그 자체에 접촉하여 변화를 가하는 것만을 의미하는 것은 아니다. 실험에서 "대상에 작용한다"는 것은, 미리 대상에 대한 일종의 예상, 정말 그럴까 하는 확인 사항을 가지고, 그 대상을 다시 바라봄으로써 그 예상의 옳고 그름을 확인하려는 인식 활동이다. 특별한 예상도 목적 의식도 없이 대상을 보는 활동은 실험이 아니다.

실험의 종류는 다음과 같이 나눌 수 있다.

제어 실험
자연 실험
현장 실험
관측 실험

2. 1. 제어 실험

제어 실험은 특정 변인(독립 변인)의 효과를 확인하기 위해, 다른 모든 조건(통제 변인)을 동일하게 유지하고 해당 변인만을 조작하는 실험이다. 실험군과 대조군을 비교하여 독립 변인의 영향을 명확히 파악할 수 있다.

'''실험군''': 특정 처치를 받는 그룹이다.
'''대조군''': 실험군과 비교하기 위한 그룹으로, 실험군과 다른 모든 조건은 동일하게 유지하고 특정 처치만 받지 않는다.

예를 들어, 의약품 개발 임상 시험에서는 개발된 신약을 처방받는 그룹이 실험군이 되고, 모양만 같은 위약을 처방받는 그룹은 대조군이 된다.^[28]

제어 실험은 반복적으로 수행되며, 일반적으로 실험 결과를 평균하여 해석한다. 실험 오차로 간주되는 결과는 제거하고 해석하기도 한다.

제어 실험의 예시는 다음과 같다.

'''단백질 분석''': 학생들이 미지의 단백질 농도를 가진 유체 시료를 받아, 표준 단백질 용액을 이용하여 단백질 농도를 구하는 실험이다. 이때, 단백질만 제외하고 다른 모든 구성 재료를 동일하게 혼합한 음성표준시료를 사용한다.^[28]
'''인체 실험''': 특정한 자극에 피실험자가 보이는 반응을 기록하는 실험으로, 이중 맹검법을 사용하여 플라시보 효과와 같은 외부 변수를 통제한다.

제어 실험은 실험의 모든 조건을 정확하게 제어하기 어려울 때 많이 사용되며, 확률적으로 동등한 두 개 이상의 시료 그룹을 만들어 실험을 진행한다.

2. 2. 자연 실험

자연 실험은 연구자가 직접 변인을 조작하기 어려운 상황에서, 자연적으로 발생한 현상을 관찰하고 분석하는 연구 방법을 말한다. 이는 관찰 연구의 일종으로, 피실험자나 실험체에 대한 처리가 우연적으로 이루어지는 경우를 뜻한다.^[16] 즉, 연구자가 의도적으로 실험 조건을 설정하는 것이 아니라, 자연적으로 발생한 상황을 활용하는 것이다.

자연 실험은 명확하게 정의된 모집단에서 발생한 큰 규모의 변화를 관찰하고, 그 변화가 특정 요인에 의한 것인지 추론할 때 유용하다. 주로 전염병학이나 경제학 분야에서 활용된다.^[16]

자연 실험의 대표적인 예로 1854년 영국 런던에서 발생한 '브로드웨이 콜레라 발발 사건'을 들 수 있다.^[29] 1854년 8월 31일, 런던 소호 지역을 강타한 콜레라로 인해 3일 동안 127명이 사망했고, 총 616명의 사망자가 발생했다. 내과 의사 존 스노우는 사망자와 감염자들의 거주지를 지도로 만들어 분석한 결과, 이 사건의 원인이 특정 공공 수도 펌프임을 밝혀냈다. 그는 오염된 물의 사용과 콜레라 발병 및 사망 사이에 강력한 관련성이 있음을 확인했다.^[29]

존 스노우는 해당 수도 펌프를 관리하는 상수도 회사가 템스 강에 오수를 제대로 정수 처리하지 않고 공급했기 때문에 이러한 비극이 발생했음을 알아냈다. 이는 템스 강 상류 지역에서 물을 공급받는 다른 수도회사의 물을 사용한 사람들의 감염률이 매우 낮았다는 사실로 뒷받침된다. 당시 런던의 상수도 시스템 개발 및 보수에는 콜레라 연구 과학자들이 참여하지 않았기 때문에, 이러한 사실이 밝혀진 것은 매우 우연적인 사건이었다. 따라서 '브로드웨이 콜레라 발발 사건'은 자연 실험의 범주에 속하는 것으로 볼 수 있다.^[29]

자연 실험은 통제된 실험이 어렵거나 불가능한 상황에서 유용하게 활용될 수 있다. 그러나 자연 실험은 통제되지 않은 환경에서 발생하기 때문에, 측정되지 않거나 일정하게 유지되지 않는 변수들이 존재할 수 있다. 이로 인해 연구 중인 변수 간에 잘못된 상관 관계가 나타날 수 있다는 점을 유의해야 한다.

2. 3. 현장 실험

현장 실험은 실험실 실험과 대조하기 위해 붙여진 이름이다. 종종 사회 과학, 특히 교육과 건강 문제에 관한 개입에 대한 경제적인 분석에 관한 문제에서 주로 행해진다. 현장 실험은 인위적으로 통제되는 실험실 실험에 비하여 결과가 자연적으로 도출되기 때문에, 실험실 실험보다 더 높은 외부 타당도를 갖는 것으로 간주된다. 고고학적 실험, 사회과학적 실험 등이 대표적인 예가 될 수 있다.^[29]

하지만 자연 실험과 마찬가지로, 현장 실험은 실험 데이터가 오염될 위험성을 항상 수반한다. 반면 실험실 실험에서는 실험 조건들이 더욱 정확하고 분명하게 조절될 수 있다. 하지만 일부 현상(예: 선거 투표율)은 실험실에서 쉽게 연구할 수 없다.

2. 4. 관측 실험

관측 실험은 여러 변인들을 수정하며 법칙을 찾는 대신, 이미 발생한 현상을 관찰하고 데이터를 모아 이들 간의 법칙성을 찾는 것을 목표로 한다. 사회과학의 통계, 천문학, 일부 생물학 등이 이에 해당하며, 현대 물리학의 입자 간 충돌 실험도 관측 실험으로 볼 수 있다.^[50]

티코 브라헤(1546-1601)는 유럽의 초기 관측 천문학자였다. 그의 별과 행성 관측 기록은 정확도와 양적인 면에서 모두 뛰어났으며, 이전이나 동시대의 어떤 관측보다 정확했다.^[51] 덴마크의 프리드릭 2세의 지원을 받아 당시 최대 규모의 관측 기구를 건설하여 0.1도 단위까지 정확하게 각도를 측정할 수 있었다.^[52] 이는 인간 육안 관찰의 한계에 근접한 것이었다.

브라헤는 코페르니쿠스의 우주관을 믿지 않고, 태양과 달은 지구를 중심으로 공전하고 다른 행성들은 태양을 중심으로 공전하는 우주 구조를 제시했다. 이는 기존 우주관에 불만을 가진 천문학자들에게 안정적인 대안을 제공했다. 1616년 로마 교황청이 태양 중심 우주 구조를 철학과 성서에 반하는 것으로 결론내린 후 더 많은 지지를 받았다. 브라헤의 체계는 행성들이 수정구에 붙어 운동한다는 기존 관념을 제거하는 혁신을 포함했다.

요하네스 케플러(1571-1630)는 브라헤의 정밀한 관측을 바탕으로 화성의 공전 궤도가 타원 궤도임을 밝혀냈다. 처음에는 행성의 공전 궤도가 원이라고 가정했지만, 4년간의 연구 끝에 0.13도 수준의 정확도를 가진 모델을 고안했다.^[53] 그러나 케플러는 브라헤의 관측이 더 정확할 것이라고 믿고 타원 궤도를 시험하여, 9년 후 관측된 화성의 이동 경로와 일치하는 타원 궤도를 발견했다. 그는 화성뿐만 아니라 모든 행성이 타원 궤도를 따라 운동한다는 것을 밝혀냈다.^[53]

베이컨의 정의에 따르면 관측 실험은 실험으로 보기 어렵고, 생물학적 관측 실험은 정량화하기 어려운 변수들을 포함한다. 그럼에도 불구하고 관측 실험은 베이컨의 정의를 만족하는 실험이 어렵거나 비윤리적인 경우에 유용하며, 무작위 실험이나 자연적 정보 수집으로 검증 가능한 가설을 제공한다.

심리학 연구나 건강 진단과 같이 인간을 대상으로 하는 경우, 표준 이하의 치료법을 제공하는 것은 비윤리적이므로, 윤리적 문제 담당 기관은 새로운 치료법이 기존 치료법 이상의 장점을 가질 때까지 임상 치료를 중지시킨다.^[54] 또한, 비소 섭취와 같이 해로운 처방의 효과에 대한 무작위 실험도 비윤리적이고 불법이므로, 과학자들은 관측 실험을 이용한다.

관측 실험은 무작위 실험의 특성을 갖추지 못해 제한적이다. 무작위 실험에서는 실험 프로토콜에 정해진 무작위 방법을 통계적으로 분석하지만,^[55] 객관적인 무작위 현상을 반영하는 통계 모델이 없으면 주관적인 모델에 의존하게 된다.^[55] 주관적인 모델에 의거한 추측은 신뢰하기 어렵다.^[56] 실제로 관측 실험이 일관되게 틀린 결과를 나타내는 경우가 있는데, 이는 다른 관측 실험이나 일반적인 실험 결과와 모순될 때 발견된다. 예를 들어, 대장암에 대한 관측 실험에서는 브로콜리 섭취가 긍정적 영향을 미치는 것으로 나타났지만, 일반적인 실험에서는 그러한 특징이 발견되지 않는다.^[57]

인간 대상 관측 실험에서는 선택 편의가 나타나기 쉽고, 치료 집단 간 공변량(나이, 키, 몸무게, 약물 치료, 영양 상태, 인종, 가족력 등)에 따라 결과가 크게 달라질 수 있다. 무작위 선택에서는 각 공변량이 유사할 경우 각 집단의 결과도 유사해지지만, 낮은 무작위 상태에서는 공변량의 조직적 변화로 인해 치료 효과와 다른 공변량의 효과를 구분하기 어렵다. 이러한 자료 분석을 위한 수학적 모델은 각각의 공변량을 고려해야 하며, 그렇지 않으면 결과는 의미가 없어진다.

이러한 상태를 피하기 위해, 내과 의사들은 확인 가능한 공변량을 정량화하거나 무작위화한다. 연구자들은 PSM(Propensity Score Matching)과 같은 통계적 방법을 통해 편견을 최대한 배제하고자 노력하며, 결과는 가능한 한 정량화하여 피실험자나 관측자의 의견에 의존하지 않도록 한다. 이를 통해 관측 실험의 결과를 객관적으로 평가하고 설득력을 높일 수 있다.

3. 실험 방법론의 역사

프란시스 베이컨은 17세기 영국의 철학자로 초기 실험 과학에 큰 영향을 끼쳤다. 그는 과학적인 문제에 대한 답을 연역적인 방법으로 구하는 것을 반대하며, 반복적인 관측, 즉 실험의 필요성을 주장했다. 그는 오늘날 통용되는 과학적 방법론의 개념을 최초로 주장한 인물이라고 할 수 있다.^[30] 베이컨은 "질문에 대한 결론을 스스로가 원하는 대로 결정지어놓고, 그 자신의 견해에 적합한 방향으로 왜곡한 경험에 의지하는데, 이는 마치 행렬에 끌려가는 포로를 대우하는 것과 같다."라고 말했다.^[30]

천문학 연구처럼 문제 자체나 주위 여건이 제어 실험을 허락하지 않는 상황에서는 관찰 연구가 유용할 수 있다. 티코 브라헤는 주의 깊은 관측을 통해 시간에 따른 별과 행성들의 위치를 기록했다. 브라헤의 관측 기록은 요하네스 케플러의 '행성 운동의 법칙' 발견에 큰 기여를 했으며, 이는 프톨레마이오스의 이론을 뛰어넘는 것이었다.

이후 여러 분야에서 과학적 방법론을 적용하여 중요한 발전과 발견들이 이루어졌다. 갈릴레오 갈릴레이는 정확한 시간 측정과 실험을 통해 자유 낙하하는 물체의 속도에 관한 올바른 측정과 결론을 이끌어냈다. 18세기 후반 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에는 실험을 통해 연소, 생화학, 질량 보존의 법칙 발견과 같은 새로운 영역의 연구를 수행하였다.^[32] 19세기에는 루이 파스퇴르가 과학적 방법론을 이용하여 자연 발생설을 반증하고, '질병에 관한 세균 이론'을 주창하였다.^[33]

20세기 초에는 로널드 피셔, 제르지 네이만, 오스카 켐프손, 거트루드 메리 콕스, 윌리엄 제멜 코크란과 같은 통계학자들의 기여로 실험의 설계 및 분석에 대한 상당한 진전이 이루어졌다.

실험은, 특히 인간 대상을 포함하는 경우, 윤리적 고려 사항을 도입한다. 연구자는 독립 변수의 분포를 통제함으로써 이익과 피해의 균형, 개입의 공정한 배분, 그리고 사전 동의와 같은 문제를 고려해야 한다. 예를 들어, 심리학이나 의료 분야에서 환자에게 기준 미달의 치료를 제공하는 것은 비윤리적이다. 따라서 윤리 심의 위원회는 새로운 치료법이 현재의 최선의 치료법만큼 좋은 이점을 제공한다고 믿지 않는 한 임상 시험 및 기타 실험을 중단해야 한다.^[22] 또한, 비소 섭취가 인간의 건강에 미치는 영향과 같이 기준 미달 또는 유해한 치료법의 효과에 대한 무작위 실험을 수행하는 것은 일반적으로 비윤리적(그리고 종종 불법)이다. 이러한 노출의 영향을 이해하기 위해 과학자들은 때때로 관찰 연구를 사용한다.

실험 연구가 직접적으로 인간을 대상으로 하지 않더라도 윤리적 우려를 제기할 수 있다. 예를 들어, 맨해튼 계획에 의해 수행된 핵폭탄 실험은 실험이 직접적으로 인간을 대상으로 하지 않았음에도 불구하고 인간에게 해를 가하기 위해 핵반응을 사용하는 것을 암시했다.

3. 1. 서양에서의 실험

이븐 알 하이삼은 광학서를 통해 실험적 연구 방법론을 제시한 초기 학자 중 한 명이다. 그는 프톨레마이오스의 광학 및 수학적 연구를 바탕으로, 실험 결과를 중시하고 이전 결과를 비판적으로 검토하는 새로운 접근 방식을 제시했다.^[7] 그는 귀납적-실험적 방법을 사용하여 결과를 얻었으며, 그의 저서 ''광학서''에서 지식과 연구에 대한 근본적으로 새로운 접근 방식을 다음과 같이 설명한다.

이븐 알 하이삼은 인간 본성의 주관성과 취약성을 고려하여 엄격하게 통제된 실험을 수행해야 하며, 이전 학자들의 결과에 대해 비판적인 시각을 가져야 한다고 강조했다. 그는 객관적인 실험을 위해서는 이전 결과와 실험 결과의 비교가 필수적이며, 특히 실험 결과가 논리적/정신적 추론에서 비롯된 경우 전통적인 의견이나 결과를 버릴 용기가 필요하다고 주장했다.

이후 프랜시스 베이컨, 갈릴레오 갈릴레이, 앙투안 라부아지에, 루이 파스퇴르 등 여러 과학자들이 과학적 방법론을 발전시키고 다양한 분야에서 중요한 발견을 이끌어냈다.

3. 1. 1. 프랜시스 베이컨

프랜시스 베이컨은 17세기 영국의 철학자이자 과학자로, 영국 르네상스 시대에 실험 과학을 지지했다.^[10] 그는 과학적 질문에 답을 할 때 연역 추론으로 답하는 것에 동의하지 않았으며, 반복적인 관찰을 기반으로 하는 실험에 의존하는 방법을 원했다.^[10] 그는 실험 과학의 중요성을 강조하고, 귀납적 방법론을 제시했으며, 오늘날의 과학적 방법론의 개념을 최초로 정리했다고 할 수 있다.^[11]

Francis Bacon^영어은 다음과 같이 말했다.

3. 1. 2. 갈릴레오 갈릴레이

갈릴레오 갈릴레이(1564-1642)는 이탈리아의 자연 철학자(혹은 과학자)로, 다양한 주제에 관하여 정량적인 실험을 수행하였다. 갈릴레이는 정량적인 실험을 통해 낙하 운동 법칙을 발견하고, 아리스토텔레스의 주장을 반증했다.^[34]

이전까지 대부분의 자연 철학자들은 낙하하는 물체의 운동을 설명할 때 거리와 유클리드 이래로 전해져 온 기하학적인 방법을 이용하였다.^[34] 갈릴레이 자신도 실험 결과를 설명하는 데 기하학적인 방법을 이용하였다. 갈릴레이의 성공에는 치밀하게 설계된 실험과 실험 장비 외에도 새로운 분야의 수학인 대수학의 발달이 큰 영향을 주었다. 대수학은 이전까지 단순한 형태였던 산술적인 연산 분야를 기하학적인 문제들에 맞먹을 만큼 복잡하고 정교한 수준으로 끌어올렸다. 대수학의 발전 덕택에 갈릴레이를 비롯한 여러 과학자(이후 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인으로까지 이어지는)들은 연구 성과를 수식으로 간단하게 표기할 수 있게 되었다. 이러한 수식들은 정확하고 모순되지 않게 물리적인 관계를 설명하였다.

'공과 비탈 실험'에서 갈릴레이는 경사진 평면과 무게가 서로 다른 몇 개의 철구를 이용하였다.^[35] 그는 철구가 표시된 특정 위치를 지나는 시간을 측정하여, 합리적인 정확도로 낙하 운동의 속도를 느리게 하여 기록할 수 있었다.^[36] 갈릴레이는 물체의 낙하 속도가 무게에 따라 달라진다는 아리스토텔레스의 주장을 반증하였다. 아리스토텔레스의 낙하 운동 이론에 따르면, 무거운 철구가 가벼운 철구보다 더 빨리 땅으로 떨어져야 했다. 반면, 갈릴레이의 가설은 두 공이 같은 거리만큼 낙하하여 땅에 떨어지기까지의 시간은 동일하다는 것이었다.

갈릴레이는 짧은 시간 간격을 정확하게 측정하기 위해 진자를 이용한 시간 측정 장치인 펄시로곤(pulsilogon)을 발명하였다.^[37] 진자의 주기는 사람의 맥박에 맞추어져 있었다. 그는 이 장치를 이용하여 철구들이 경사면에 표시해 놓은 위치를 지나는 데 걸리는 시간을 측정하였다. 그는 측정을 통해 철구의 무게와 상관없이 그것들이 경사면의 제일 끝까지 떨어지는 데 걸리는 시간은 동일하다는 것과 낙하 거리와 낙하 시간의 제곱 사이에 비례 관계가 성립함을 발견하였다.^[38]

갈릴레이의 실험 결과는 다음과 같이 정리될 수 있다.

중력 가속도 (~9.8m/s²)가 g일 때, 자유 낙하하는 물체의 낙하하는 거리 d
$\ d=\frac{1}{2}gt^2$

이러한 결과는 무게가 서로 다른 물체들이라도 낙하 속도는 동일하다는 갈릴레이의 가설을 뒷받침하는데, 그 이유는 이것들에 작용하는 중력 가속도 자체의 크기는 동일하기 때문이다.^[39]^[40]

3. 1. 3. 앙투안 라부아지에

앙투안 라부아지에(1743-1794)는 '근대 화학의 아버지'라고도 불리는 프랑스의 화학자이다. 그의 실험들은 최초의 진정한 의미에서 정량적인 화학 실험이었다. 그는 화학 반응에서 물질의 상태가 변화하더라도, 모든 화학 반응에서 물질의 질량은 반응 전과 반응 후 사이에 어떤 변화도 존재하지 않는다는 것을 보였다. 한 실험에서, 그는 공기 중에서 황과 인을 연소시켜 그가 이전에 내린 결론(질량 보존의 법칙)을 만족하는지 확인하였다. 그러나 이 실험에서 그는 실험에 의해 생긴 반응의 결과물이 원래의 황과 인보다 무겁다는 실험 결과를 얻었다. 그는 재실험을 하기로 결정하였고, 이번에는 주위의 대기의 무게까지 측정하였다. 그는 반응 후 줄어든 공기의 질량만큼 황과 인의 반응 결과물의 질량이 증가하였다는 사실을 확인하였다. 이 실험 결과는 그의 질량 보존의 법칙을 더욱 뒷받침하는 것이었다.^[32]

라부아지에는 호흡과 연소의 작용이 본질적으로 같은 반응이며, 호흡의 매 단계마다 연소 작용이 일어난다는 가설을 세웠다. 그는 피에르시몽 라플라스와 함께 연소 혹은 호흡 과정 중에 외부로 방출되는 열을 측정할 수 있는 얼음 열량계를 설계하였다. 이 장치는 중심부, 가운데 부분, 바깥쪽 부분으로 나뉜다. 중심부는 열원(기니피그와 불타는 숯조각)을 고정하고, 가운데 부분은 일정량의 얼음으로 열원의 열을 식히며, 바깥쪽 부분은 눈으로 채워 열을 차단한다. 라부아지에는 기니피그와 불타는 숯조각이 내뿜는 이산화탄소와 열의 양을 측정하여 호흡이 느리게 일어나는 연소 작용이라고 결론지었다. 그는 정확한 측정을 통해 이러한 과정에서 방출되는 이산화탄소와 열이 동일한 상수들의 비로 나타내어짐을 발견하였다. 224그레인의 '고정 공기(이산화탄소)'에 대해 열량계의 얼음이 13온스만큼 융해하였으며, 이를 통해 탄소의 연소 혹은 호흡 작용에 의해 2.02kcal의 에너지가 발생함을 계산해 냈다. 이는 현대의 탄소 연소 실험 값인 2.13kcal/g과 거의 차이가 없다.^[41] 라부아지에와 라플라스는 이 느린 연소 반응이 폐에서 일어날 것이라고 추측했고, 동물의 체온이 주변 온도보다 높은 이유라고 주장하였다.^[42] 라부아지에는 "Lla respiration est donc une combustion." (호흡은 연소이다)라고 결론지으며, 촛불이 타는 현상과 마찬가지로 호흡 작용에 의한 가스 교환도 연소라고 주장했다.

라부아지에는 최초로 실험을 통하여 화학 반응에서 질량 보존의 법칙이 성립한다고 결론내렸다.^[43] 그는 반응물들의 질량의 합이 화학 반응 후의 생성물들의 질량의 합과 동일하다는 가설을 포도주의 발효 실험으로 증명했다. 당 안의 수소, 산소, 탄소의 양을 구하고, 일정량의 당에 이스트와 물을 섞어 혼합물을 발효시켰다. 라부아지에는 발효 반응으로 생성된 탄산가스와 물의 질량을 측정하고, 나머지 용액의 무게도 측정하여 구성 물질을 분석하였다.^[44] 그는 발효 중 배출된 탄산가스와 수증기를 포획하여 측정을 정확하게 하고, 반응물들의 질량 총합과 생성물, 잔여물들의 질량 총합이 같음을 확인하였다.^[45] 더불어 각 성분들의 질량도 화학 반응 이전과 이후에 일정함을 보였다. 그는 실험을 통해 연소 이전 반응물의 질량 총합과 연소 반응 후 생성물의 질량 총합이 같음을 보였다.

3. 1. 4. 루이 파스퇴르

미생물학과 면역학의 아버지로 여겨지는 루이 파스퇴르(1822-1895)는 19세기의 프랑스 생물학자이다.^[46] 그는 실험을 통해 병원체가 자연 발생하지 않으며, 생존과 증식을 위해 적절한 환경이 필요한 생물체임을 보였다. 이 발견으로 그는 치킨 콜레라, 탄저병, 광견병의 백신을 개발하고, 음식에 들어 있는 박테리아를 죽이는 방법(저온 살균법)을 개발하였다. 그의 연구 성과는 외과 수술에서 소독 처리를 하는 데에도 기여하였다. (영국의 외과 의사 조셉 리스터와 함께).

당시 대부분의 과학자들은 미생물이 무생물로부터 저절로 생겨난다는 자연 발생설을 믿었다. 파스퇴르는 현미경으로 미생물을 직접 관찰하고 자연 발생설에 의심을 품었다. 그는 이를 확인하기 위해 실험을 설계했는데, 그의 가설은 생명이 없는 곳에서는 저절로 생명이 생겨날 수 없다는 것이었다. 그는 실험을 방해할 수 있는 요인들을 최대한 없애려고 했다. 예를 들어, 실험에 사용할 고기 국물이 담긴 플라스크에 미생물이 없도록, 국물을 가열하여 미생물을 모두 제거했다.

또한 파스퇴르는 플라스크 내부의 공기가 외부 공기와 통하면서도 외부 미생물이 들어오지 못하게 했다. 그는 실험 동료의 제안으로 플라스크의 목을 S자로 구부려, 먼지(파스퇴르는 미생물이 먼지에 포함되어 있다고 추측)는 첫 번째 굽이에 가라앉고 공기는 자유롭게 드나들도록 했다.^[47]

만약 박테리아가 자연적으로 발생한다면, 며칠 후 플라스크에서 박테리아가 관찰되어야 했다. 자연 발생이 일어나지 않는다면, 실험 플라스크 안에는 생명체가 없어야 했다. 실험 결과, 플라스크의 고기 국물 안에서는 미생물이 발견되지 않았다. 파스퇴르는 이후 실험에 사용된 고기 국물을 공기 중의 먼지(미생물 포함)와 접촉시켰다. 며칠 후 고기 국물은 안에서 자라난 수백만 마리의 미생물로 가득 찼다. 그는 2년 동안 실험 조건과 장소를 바꿔가며 실험을 반복하여 자연 발생이 일어나지 않는다는 가설을 더욱 뒷받침했다.^[48]

이러한 실험 결과와 질병 치료 및 예방에 대한 성과에도 불구하고, 자연 발생에 대한 대중의 오해를 바로잡는 것은 더디게 진행되었다. 파스퇴르는 특정 문제를 해결하면서 자신의 개념을 수정하기도 했다. 1865년 프랑스 누에 산업에 큰 피해를 준 질병의 원인을 찾아달라는 요청을 받고, 약 1년간 연구하여 문제를 일으키는 미생물을 발견하고 누에 사육에 대한 조언을 했다. 그러나 직접 시험해 본 결과 질병이 여전히 사라지지 않는다는 것을 발견했다. 그는 자신의 판단이 옳았지만 불완전하다는 것을 알게 되었는데, 문제를 일으키는 미생물이 두 종류였기 때문이다. 그는 2년의 추가 연구를 통해 완벽한 해결책을 찾았다.^[49]

3. 2. 동양에서의 실험

이븐 알 하이삼은 프톨레마이오스의 연구에서 광학 및 수학적 문제에 대한 실험을 수행하며, 귀납적-실험적 방법을 사용한 최초의 학자 중 한 명이었다.^[7] 그의 저서 ''광학서''는 지식과 연구에 대한 새로운 접근 방식을 제시했다.

이븐 알 하이삼은 엄격하게 통제된 시험 실행과 이전 학자들의 결과에 대한 비판적인 시각을 강조했다. 객관적인 실험을 위해서는 이전 결과와 실험 결과의 비교가 필요하며, 가시적인 결과가 중요하다고 보았다.^[9]

4. 실험과 가설, 법칙

실험은 경쟁 관계에 있는 모델이나 가설을 비교하고, 이미 존재하는 이론을 뒷받침하거나 반증하는 데 사용되는 과학적 방법론의 한 단계이다.^[25]^[26] 과학적 의문에 대한 답을 얻거나 문제를 조사하기 위해 실험을 설계하고 수행한다. 먼저 관찰을 통해 과학적 의문이나 문제가 발생하고, 이에 대한 가설을 설정한다. 그 후, 실험을 통해 가설을 검증한다. 결과를 분석하고 결론을 도출하며, 때로는 이론을 형성하고 연구 논문을 통해 결과를 공유한다.

좋은 실험은 특정 가설을 검증하는 것을 목표로 하지만, 질문이나 이전 실험 결과를 확인할 수도 있다. 실험의 모든 요소, 즉 변인을 정확하게 통제하는 것이 중요하며, 이는 실험의 정확성, 반복 가능성, 결과 해석에 영향을 미칠 수 있다.^[27] 교란 요인을 통제하기 위해, 연구자들은 잘 설계된 실험실 실험을 선호한다.

실험은 가설을 뒷받침할 수 있지만, "증명"할 수는 없다. 반복되는 실험에서 하나의 반례라도 이론이나 가설을 반증할 수 있다. 과학적 방법에서 실험은 경쟁적인 과학적 모델 또는 가설을 중재하는 경험적 연구 절차이다.^[2]^[3]

이타쿠라 세이센은 실험을 "인간이 대상에 대해 목적 의식을 가지고 작용하는 활동이며, 대상의 인식 자체를 목적으로 하는 활동"이라고 설명했다. 또한, 실험과 실험이 아닌 활동을 구분하는 요소로 "예상"과 "목적 의식"을 제시했다. 특별한 예상이나 목적 의식 없이 대상을 보는 활동은 실험이 아니라고 하였다.

갈릴레오 갈릴레이의 낙하 실험은 아르키메데스의 부력 연구와 아리스토텔레스의 낙하 이론에 대한 의문에서 비롯된 것처럼, 예상은 실험을 성립시키는 중요한 요소이다.^[25]

5. 대조 실험

제어 실험은 실험군의 실험 결과를 대조군의 실험 결과와 비교하는 방식으로 수행된다. 이때 대조군은 실험을 통해 결과에 영향을 미치는지 판단하고자 하는 단 하나의 조건(자유 변인)만 실험군과 다르고 다른 모든 조건은 실험군과 일치해야 한다(통제 변인). 대표적인 예로 의약품 개발이 있다. 이 실험에서 개발된 약의 시제품을 처방받는 그룹은 실험군이 되고, 모양만 같은 플라시보 약품을 처방받는 그룹은 대조군이 된다.^[28]

실험할 때에는 실험군과 동일하게 양성표준시료와 음성표준시료에도 실험을 하여 그 결과를 비교한다. 양성표준시료는 이전의 실험을 통해 입증되어 효과가 확실한 실험을 가리킨다. 음성표준시료는 효과가 나타나지 않음이 확실한 실험이다. 양성표준시료가 필요한 이유는 어떤 실험군도 효과를 나타내지 않더라도, 실험 설계나 실험 환경 자체에는 문제가 없음을 보이기 위해서이다. 음성표준시료는 아무런 효과도 발생하지 않을 때 실험 결과가 어떠한 형태를 나타내는지 알려준다. 실험 결과 분석에서 종종 음성표준시료의 결과값만큼을 실험군의 결과값에서 소거하여 그 효과를 판단하기도 한다.^[28]

제어 실험은 실험의 모든 조건을 정확하게 통제하기 어려울 때 많이 행해진다. 이 경우, 확률적인 가능성 면에서 동등한 2개 혹은 그 이상의 시료 그룹을 만들어 실험을 시작한다. 동일한 실험적 처리 과정을 거쳤을 때 반응이 동일한 상태에서 일어나야 하고, 각각의 시료 측정이 서로 유사한 특징을 보여야 한다. 인간을 대상으로 한 실험에서는 플라시보 효과와 같은 외적 변수를 막기 위해 특별한 안전책이 필요하다. 그런 실험에서는 주로 이중 맹검법을 이용하는데, 이중 맹검법이란 모든 실험 데이터가 모아질 때까지 피실험자와 실험자 모두 각각의 피실험자가 실험군과 대조군 중 어디에 속하는지 알 수 없게 실험하는 방식이다.^[28]

6. 실험 계획

실험을 계획할 때는 증명하고자 하는 가설에 따라, 특정 현상이 발생하는 조건과 발생하지 않는 조건을 명확히 제시해야 한다. 이를 위해 제어 실험 방법을 사용하는데, 실험군과 대조군을 설정하여 비교하는 방식이다. 이때 대조군은 실험군과 단 하나의 변인(자유 변인)만 다르고, 다른 모든 조건(통제 변인)은 동일하게 유지해야 한다.^[28]

예를 들어, 신약 개발 실험에서 개발된 약을 투여하는 그룹은 실험군, 모양만 같은 플라시보 약품을 투여하는 그룹은 대조군이 된다. 또한, 양성표준시료(효과가 확실한 실험)와 음성표준시료(효과가 없는 실험)를 함께 실험하여 실험 설계나 환경에 문제가 없는지 확인한다. 실험 결과는 보통 평균을 내어 해석하지만, 지나치게 동떨어진 결과는 실험 오차로 간주하여 제외하기도 한다. 일반적으로 실험은 2~3번 이상 반복한다.

제어 실험은 모든 조건을 정확하게 통제하기 어려울 때 유용하다. 이때는 확률적으로 동등한 두 개 이상의 시료 그룹을 만들어 실험을 시작한다. 각 시료 그룹은 동일한 실험 처리 과정에서 동일한 반응을 보여야 하며, 측정 결과도 유사해야 한다. 이러한 동등성은 통계적인 방법으로 판단할 수 있다.

인간 대상 실험에서는 플라시보 효과와 같은 외부 변수를 막기 위해 이중 맹검법을 사용한다. 이중 맹검법은 실험 데이터가 모두 수집될 때까지 피실험자와 실험자 모두 누가 실험군이고 대조군인지 알 수 없게 하는 방식이다. 이를 통해 실험 결과가 실험 자체에 의한 것임을 확신할 수 있다.

통계학에서 실험은 현상을 관측하는 과정이며, 같은 조건에서 반복 시행될 수 있어야 한다.^[58]^[59] 과학적 방법에서 실험은 경쟁적인 과학적 모델 또는 가설을 검증하는 경험적 연구 절차이다.^[2]^[3] 실험은 가설을 지지하거나 반증할 수 있지만, 가설을 "증명"할 수는 없다.

공학이나 물리학 개요 분야에서는 실험이 과학적 방법의 주요 구성 요소이며, 각 복제에서 동일한 결과를 얻는 데 중점을 둔다. 반면 의학이나 사회 과학에서는 임상 시험 형태를 따르며, 평균 치료 효과나 검정 통계량에 초점을 맞춘다.^[5]^[6]

7. 분야별 실험

분야별로 다양한 실험이 수행된다.

물리 실험: 이론 검증, 새 물리 법칙 발견, 기존 실험 정밀도 향상 및 재현성 확인을 목표로 한다.
화학 실험: 새로운 물질 합성, 화학 반응 탐구, 화학 구조 및 물성 분석 등이 주 목적이다. 백의를 입고 시약과 플라스크를 사용하는 전통적인 실험 외에도, 최근에는 컴퓨터 제어 대형 측정 장치를 이용한 기기 분석도 활발하다. 이론 화학이나 계산 화학에서는 계산만으로 화학적 성질을 논하기도 한다.
생물학 실험: 초기에는 박물학에 기반한 기술적 학문으로 관찰이 주를 이루었으나, 점차 실험적 방법론이 발전했다. 반 헬몬트의 실험은 초기 실험 방법의 혼재를 보여주는 예시다. 실험 발생학, 멘델의 유전 실험 등 다양한 실험이 시도되었고, 자연 발생설 논쟁은 파스퇴르에 의해 종결될 때까지 오랜 기간 지속되었다. 생물학 실험은 복잡한 생명 현상을 다루므로 ''in vitro''(인 비트로), ''in vivo''(인 비보), ''in situ''(인 시튜) 등의 용어를 사용하여 실험 조건을 명확히 한다.
가상 실험: 실제 실험이 불가능하거나 실제 결과와 비교를 위해 가상으로 수행하는 실험이다. 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 현실에 가까운 결과를 얻으려는 시도가 이루어지고 있다. 사고 실험과 컴퓨터 실험이 이에 해당한다.

7. 1. 물리 실험

이론적 예측을 검증하고, 새로운 물리 법칙을 찾거나, 기존 실험의 정밀도를 높여 재현성을 확인하기 위해 수행되는 실험이다.

7. 2. 화학 실험

화학 분야의 실험은 주로 새로운 물질 합성, 새로운 화학 반응 탐구, 화학 구조나 물성 분석 등을 목적으로 한다. 화학 실험하면 떠올리는, 백의를 입고 시약과 플라스크를 사용하는 실험은 합성을 할 때만 해당하며, 최근에는 컴퓨터 제어의 대형 측정 장치에 의한 기기 분석도 분야를 가리지 않고 자주 이루어진다. 또한, 이론 화학이나 계산 화학 등의 분야에서는 실험을 전혀 하지 않고, 계산만으로 화학적인 성질에 대한 논의가 이루어지기도 한다.

7. 3. 생물학 실험

생물학은 초기에는 박물학에 기원을 두고 주로 기술적인 학문으로 여겨져 관찰이 중요했지만, 실험에 대해서는 방법을 알기 어려웠다. 생물의 성질이 물리 화학의 대상에 비해 복잡했기 때문일 수 있다. 반 헬몬트는 쥐의 자연 발생을 증명함과 동시에 식물의 성장이 토양 흡수에 의하지 않음을 증명했는데, 이는 당시 실험 방법의 혼재를 보여주는 예시이다.

그러나 생물학 지식이 축적되면서 다양한 실험이 시도되었다. 발생학에서는 19세기 말 실험 발생학이 시작되었고, 멘델은 19세기 중반 유전 실험을 통해 유전 법칙을 발견했지만 당시에는 인정받지 못하다가 19세기 말에야 이해되었다. 유전학에서는 이전부터 교배 실험이 있었지만, 결과를 해석하고 이해할 만한 지식이 부족했다. 자연 발생설은 19세기 중반 파스퇴르에 의해 부정될 때까지 오랜 논쟁이 이어졌는데, 이는 생명 현상의 세부적 이해 없이도 다룰 수 있는 문제였기 때문이다.

생물학은 물리 화학적 대상인 분자나 원자로 구성되지만, 이들 사이의 관계가 복잡하여 시험관 실험 결과가 실제 생물에서 일어나는 현상과 일치하지 않을 수 있다. 따라서 실험 조건을 명확히 하는 것이 중요하며, 다음 용어들이 사용된다.

''in vitro'' (인 비트로): 시험관 등 인공적인 환경에서 생체 외, 세포 내, 또는 생체 내 환경을 재현하여 실험한다.
''in vivo'' (인 비보): 살아있는 세포 내에서 실험한다.
''in situ'' (인 시튜): 살아있는 생물의 원래 위치 또는 그 위치의 세포 내에서 실험한다.

7. 4. 가상 실험

가상 실험은 실제로 실험을 할 수 없는 경우나 실제 실험 결과와 비교하기 위해 가상으로 실험을 해보는 것이다. 이를 위해서는 실험 대상의 성질에 대한 정보가 필요한데, 이 정보가 잘못되면 큰 오차를 발생시킬 수 있다. 최근에는 컴퓨터를 사용하여 세부적인 계산을 정밀하게 수행함으로써 현실에 가까운 결과를 얻으려는 시도가 이루어지고 있다.

사고 실험
컴퓨터 실험 (컴퓨터를 이용한 시뮬레이션)

8. 한국에서의 실험 개념 및 "실험" 용어의 역사

조선시대에는 "실험"이라는 용어가 "어떤 사물이 진짜인지 조사하여 확인하는 것"을 의미했다.^[1] 개화기 이후, 서양 과학이 도입되면서 "experiment"의 번역어로 "실험"이 사용되기 시작했다. 일본에서는 1775년 천문학자 아사다 고리츠가 처음으로 "실험"이라는 용어를 사용했고, 스기타 겐파쿠의 『형영야화』(1810년)에 "실험"이 처음 등장했다.^[2]

일제강점기에는 "시험"과 "실험"이 함께 사용되다가 점차 "실험"으로 통일되었다. 1869년 미사키 쇼스케는 experimence와 observation을 "실험"으로, experiment를 "시험"으로 번역했고, 니시 아마네는 1870년에 experiment를 "시험", observation을 "실험"으로 번역했다.^[3] 1887년 와쿠 마사타츠의 『이과 교수법』에서 experiment를 처음으로 "실험"으로 번역한 후, "실험" 번역어가 늘어나 1900년 "소학교령 시행 규칙"에서 "실험"으로 확정되었다.^[4]

현대 한국에서 "실험"은 과학적 방법론의 핵심 용어로 자리 잡았다.

9. 철학적 배경

과학철학에서는 실험의 의미와 역할에 대한 다양한 논의가 이루어지고 있다. 이러한 논의는 과학의 의미와 정당성에 대해 논의하는 철학의 한 분과에서 이루어진다. 예를 들어, 포퍼의 반증주의는 실험에 매우 중요한 위치를 부여하며, "반증 가능성"(실험에 의해 부정될 가능성)을 갖지 않는 이론은 과학 이론이라고 할 수 없다고 주장한다. 이 반증 가능성의 개념은 과학자들 사이에서 유명하며 사이비 과학을 비판할 때 지금도 자주 인용된다.

10. 교육에서의 실험

초등 및 중등 학교 교육 현장에서는 과학 실험이 어느 정도 중시되고 있다. 과학 내용을 이해하기 위해서는 실물을 접하는 것이 중요하며, 다양한 실험에서 대상물이 때때로 예상치 못한 변화를 보이는 것은 아이들에게도 큰 놀라움의 경험이 된다.

다만, 실험은 장소나 준비 시간 등 노력이 많이 들고, 지식 전달이라는 측면에서는 효율이 좋지 않다는 점 때문에 일부에서는 꺼려진다. 또한, 기재 등을 많이 필요로 하기 때문에 그 정비도 중요하다. 일본에서는 과학 교육 진흥법에 의해 이것이 추진되고 있다.

또한 이러한 실험·관찰의 대부분은 목적 의식이 없는 활동에 머물러 있으며, 실험이 아니라 교사의 지시대로 손을 움직이는 작업에 불과한 경우가 많아 주체적인 활동이 되지 못하고 있다.^[1] 그러한 기존의 과학 교육의 실패를 극복한 형태로 발전시킨 것이 가설 실험 수업이다.

고등 교육의 전문 분야에서도 실험은 중요하다. 여기서는 지식과 체험의 전달과 동시에, 스스로 새로운 실험을 할 수 있는 실험 기술의 습득이 요구된다.

참조

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