현대 과학의 이해

 

현대과학의 이해

현대과학이란?

20세기 이전의 과학은 근대 과학(近代科學, 영어: modern science)이라고 지칭한다. 현대 과학(現代科學, 영어: modern science)은 1900년(20세기) 이후의 과학을 지칭한다. ‘과학 만능’이라는 말이 생길 정도로 과학은 사회로부터 절대적 신뢰를 얻게 되었고, 과학과 과학자는 사회의 경제, 산업, 군사적 발전에 크게 관여하게 되었다. 하지만 20세기 중엽부터 전쟁과 생태계 파괴와 같은 인류 사회에 대한 책임이 과학에 돌려지는 반과학적 분위기가 나타나게 되었다. 20세기에 들어서는 과학이 기술과 밀접한 관계를 갖게 되면서 이전과는 완전히 다른 양상이 일어나게 되었다.


학제 간 연구의 발달

미국 뉴멕시코주에 복잡계의 연구를 위한 산타페 연구소를 설립한 주 인물인 노벨 물리학상 수상자 겔만의 표현대로 ‘제2차 세계대전 이후 학문 분야들에서 서로 합쳐지는 놀라운 현상’이 일어나고 있다. 이러한 학문 연계는 기존 원칙들을 묶는 것이 아니라 상이한 학과들에 존재하는 동형성을 추상화하여 새로운 주제를 만드는 식의 학과 초월적 시스템이다. 동형성의 예를 들자면, 지수적 성장 법칙이 세균증식, 동식물 군체의 성장, 유전학, 사회학 등 전혀 다른 대상의 성장을 묘사하는 데 동일하게 적용되는 것이다. 다양한 학문을 연계시키는 중요한 예의 하나는 복잡계의 과학으로, 생물, 날씨, 증권시장, 기업경영, 역사, 도시 등 모든 물리적, 개념적 시스템들에 공통으로 존재하는 법칙을 탐구한다.

 

 

이들 한 가지 시스템에서 발견된 법칙은 전혀 다른 성격의 시스템들에서도 거듭 발견, 적용됨이 밝혀지고 있다. 인지과학은 생물학과 철학, 심리학, 언어학 등의 인문 사회과학, 수학, 물리학, 공학 등에서의 정량적 도구 및 기초이론, 그리고 컴퓨터과학 및 인공지능 분야에서의 정보처리와 관련된 개념을 통합하여 태동한 학제 간 연구의 대표적인 예이다. 최근에 대한민국의 여러 대학교에서 설치된 생물정보학 센터 역시 컴퓨터를 이용한 가상 세포와 인공 세포 구현을 목표로 생물학, 수학, 통계학, 컴퓨터공학, 물리학, 화학 분야 과학자들이 참여하고 있다. 나노 기술 분야도 분자 기계를 만드는 화학자, 설계 프로그램을 만드는 컴퓨터 과학자, 분자의 위치를 정확하게 조정하는 주사 터널링 현미경 기술자 등 여러 분야가 연관되는 미래 과학의 형태이다. 근대 과학이 발전해 가면서 과학은 계속 전문화ㆍ세분되고, 다양한 과학들이 환원주의적 사고에 따라 연구 주제의 크기에 따라 정리되었다. 이러한 기조 아래 작은 것의 성질이 큰 것들의 행동을 규정한다고 여겨졌기 때문에, 가장 작은 실체를 다루는 물리학이 가장 기본적인 과학이고 그다음에 화학, 생물학, 위로 가서 심리학, 사회학이 배치되었다. 이러한 과학의 구분은 지식의 근본적인 구분이며 자연, 정신, 사회의 실제 질서를 반영하는 것으로 인식되어 대학교의 학과도 이런 방식으로 분류되어 갔다.


컴퓨터 모형화를 이용한 연구

21세기의 과학은 실세계를 정밀하게 관찰하고, 관찰 결과를 컴퓨터로 모형화하는 식으로 발전해 갈 것이다. 전통 실험에서는 실세계에서 무슨 일이 일어나는지 알기 위해 능동적으로 조건들을 바꾸어 보는데, 별의 내부 같은 자연계는 실험을 전혀 할 수 없다. 이때 해 볼 수 있는 유일한 방법은 컴퓨터 모형화이다. 윤리적인 문제로 실제 실험을 할 수 없는 사회 과학과 심리학의 경우에도 컴퓨터 모형화는 강력한 연구 도구가 되고 있다. 분자를 설계하는 화학자들도 컴퓨터를 통해 분자의 압력과 응력을 분석하고 고소자가 어떻게 변할 것인가 알아보는 등의 모의실험을 한다. 실제로 이들 화학 공학자들의 연구는 실험하는 시간보다 컴퓨터 프로그램을 만들고, 컴퓨터를 이용해 계산하는 시간이 점점 더 많아지고 있다. 생명 과학 연구도 생체 실험(in VIVO)에서 시험관의 실험(in vitro)으로, 생명 모의실험(in silico)으로 옮겨가는 중이다. 가상 세포 혹은 인공 세포는 세포의 대사 회로를 그대로 흉내 내도록 만든 컴퓨터 프로그램이다. 미래에는 가상 세포를 이용해 원하는 물질이 세포 내에서 만들어지는 과정을 모의 실험함으로써 신약 개발 연구에 드는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

과학 혁명 전까지 자연 과학의 지식 체계는 아리스토텔레스의 규범과 과학 분야 사이의 논리 관계에 따라 확립되었다. 이 시기에는 과학 기구 없이 마음과 생각의 논리적 질서를 이용하여 자연 현상을 탐구하였다. 그러다 근대에 현미경이나 망원경과 같은 도구가 발명되면서 분석적인 실험 과학이 발달하게 되었다. 20세기 후반에는 이론과학과 실험 과학에 이어 계산 과학이 등장하였다. 뇌, 날씨, 태양계, 양자론의 입자는 모두 자연법칙의 결과를 계산하는 컴퓨터로 볼 수 있다는 것이다. 자연의 법칙은 알고리즘으로서 실제 프로그램이 컴퓨터에 대해 하는 것처럼 시간에 따른 그 계의 발전을 다스린다. 이런 관점에 의하면 태양 둘레를 돌고 있는 행성들은 시시각각 뉴턴 법칙을 계산하고 있다. 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어의 놀라운 발전, 물리 현상을 모형화(시뮬레이션)하는 방정식 세우기, 이 방정식들을 푸는 뛰어난 알고리즘의 발전으로 실제 실험 능력을 훨씬 벗어난 가상 실험이 가능해진 것이다. 컴퓨터는 엄청난 양의 자료를 순식간에 처리하여 실재를 모형화해 주고 전통적 분석 도구들과는 다른 형태로 지식을 끌어내어 자연을 새로운 관점에서 보게 해 준다. 컴퓨터 모형화는 실제 실험이 아니고 기본 이론에 대한 유사 계산에 불과하다는 비판도 있으나, 과학자들은 자연도 하나의 아날로그 컴퓨터로 볼 수 있다고 말한다.

 

과학과 기술의 결합

과거에는 과학이 과학자 개인의 재능에 의한 우연한 발견들로 이루어졌으나, 현대에는 과학 연구가 처음부터 생산을 위해 계획되기 시작한 것이다. 과학이 후에 기술에 응용되는 것이 아니라 공업, 농업, 의학 등에서 인간에게 필요한 기술이 먼저 결정되고, 그에 따라 과학 연구가 계획ㆍ수행되는 것은 현대 과학의 큰 특성의 하나이다. 이들 연구소에서는 실용적 연구에 못지않게 기초적인 연구도 이루어졌다. 순수 연구는 당장 활용할 수 있지 않아도 훗날 응용처가 종종 나타나기 때문이다. 원자력 에너지, 컴퓨터, 유전공학은 이렇게 연구되었던 양자역학, 반도체 이론, 유전학 지식이 후에 응용된 좋은 예이다. 처음 과학과 기술이 결합한 분야는 당시의 새로운 과학 분야인 유기화학과 전자기학 지식을 바탕으로 하는 화학 염료 공업과 전기 공업이었다. 특히, 미국에서 일어난 전기 공업은 관련 과학 지식에 전적으로 의존하였기 때문에 많은 전기 공업 분야 회사들이 연구소를 설립하였다. 오늘날 세계적 과학 연구소로 알려진 미국의 제너럴 일렉트릭 연구소와 벨 연구소도 이런 식으로 설립된 것이다. 자연 현상에 대한 체계적인 과학 지식이 인간의 물질생활을 위한 기술과 연결되기 시작한 것은 과학 혁명기부터였다. 그러나 처음에는 아직 일반적인 과학 이론을 구체적으로 기술적 문제 해결에 이용하는 형태는 아니었다. 과학적 발견이 현대와 같이 직접적으로 또 신속하게 산업 기술에 응용되기 시작한 것은 19세기 중반부터이다. 오늘날 과학에서의 발견은 즉각 기술에 이용되며, 기술의 협조 없이는 과학의 발전을 생각할 수 없는 등 과학과 기술 간의 구분도 무의미해졌다. 과학이 산업 기술에 새로운 이론을 제공하는 수준을 넘어서, 산업체가 먼저 과학에 문제를 의뢰하고 경제적 지원을 제공하고 나아가서 산업체가 직접 과학 연구를 시행하기도 한다.