과학자의 발상법
과학은 왜 가장 믿을 만한 지식체계가 되었을까? 과학이 다른 학문과 구분되는 이유는 무엇일까? 과학을 과학답게 하는 요소는 무엇일까? 과학은 왜 그렇게 성공적인 학문으로 아직까지 명성을 떨치고 있을까? 이런 질문들에 한두 마디로 간단하게 답을 하기란 쉽지 않다.
과학자의 발상법 문제를 해결하고 새로운 지식을 탄생시키는 여섯 가지 전략 이종필 저자
  • 2024년 06월 28일
  • 444쪽148X215mm김영사
  • 978-89-349-3564-3
과학자의 발상법
과학자의 발상법 문제를 해결하고 새로운 지식을 탄생시키는 여섯 가지 전략 저자 이종필 2024.06.28
인공지능 시대, 어떻게 사고할 것인가?
과학의 언어인 수를 통해 생각하고 상상하는 법부터
이론의 한계를 발상의 전환으로 돌파한 과학사 속 사례까지,
막다른 곳에서 혁신의 길을 연 과학자의 생각법
교양과학서와 일간지 칼럼 등을 통해 오랜 시간 대중과 소통해온 물리학자 이종필 교수의 신작. 저자는 지난 20여 년간 물리학을 연구하고 교육하면서 과학의 역사 속 위대한 발견을 이끈 과학자의 생각법에 각별한 관심을 갖고 탐구해왔고, 이를 마침내 6가지 발상법으로 정리해냈다. 정량적 발상부터 보수적/혁명적 발상, 실용적/미학적 발상까지, 과학자들의 생각법이 어떻게 지식의 도약과 패러다임 전환을 끌어왔는지를 차근차근 살펴본다. 독자들은 과학사 속 지식의 생산 과정을 두루 살펴볼 수 있을 뿐 아니라, 과학자의 생각법에 초점을 맞추어 새로운 관점으로 과학사와 그 지식을 정리해볼 수 있다. 과학자의 사고 전략이 궁금한 이들과 과학자를 꿈꾸는 이들에게 이 책은 최고의 선물이 될 것이다.
 
P.8
과학은 왜 가장 믿을 만한 지식체계가 되었을까? 과학이 다른 학문과 구분되는 이유는 무엇일까? 과학을 과학답게 하는 요소는 무엇일까? 과학은 왜 그렇게 성공적인 학문으로 아직까지 명성을 떨치고 있을까? 이런 질문들에 한두 마디로 간단하게 답을 하기란 쉽지 않다._〈서문〉
P.53
온 국민이 즐겨 찾는 치킨집은 과연 몇 개나 있을까? 대한민국의 가구 수는 대략 2000만이다(이 정도는 상식적으로 알고 있다고 하자). 한 가구당 얼마나 자주 치킨을 주문할까? 하루 한 번은 너무 잦다. 한 달에 한 번은 너무 적다. 그렇다면 대략 일주일에 한 번이 적당해 보인다. 즉 대한민국은 일주일에 2000만 마리의 치킨이 필요하다. 이제 이 수요를 충족하기 위한 치킨집의 수를 추론해보자. 한 치킨집에서 하루에 몇 마리나 튀길 수 있을까? 가게마다 차이가 있겠지만 우리에게 중요한 것은 차수추정이다. 하루 열 마리는 (평균적으로 생각했을 때) 너무 적다. 그렇다고 하루 1000마리는 어려울 것이다. 그렇다면 하루 100마리 정도가 적당한 평균값이라고 추정할 수 있다. 이 치킨집이 일주일에 6일 영업한다고 하면 한 가게당 일주일에 600마리의 치킨을 공급할 수 있다. 전체 수요는 2000만 마리다. 따라서 전국의 치킨집 수는 (2000만/600)=약 3만 3000개라고 추정할 수 있다._〈1부. 워밍업―정량적 발상〉
P.132
케플러의 법칙, 또는 만유인력의 법칙에 명백하게 어긋나는 이 결과를 어떻게 해석할 것인가? 앞선 사례들에 익숙한 독자라면 과학자들이 귀납주의의 원칙에 따라, 또는 포퍼의 반증주의에 따라 뉴턴역학을 즉시 폐기하는 일 따위는 하지 않았으리라고 짐작할 것이다. 은하회전곡선에서도 당연히 과학자들은 선배들이 갔던 길을 선택했다. 즉 새로운 요소를 도입해 뉴턴역학의 패러다임 속에서 은하회전곡선을 설명하려고 했던 것이다. 그 새로운 요소가 바로 암흑물질이다._〈2부. 보수적 발상〉
P.160-161
그러니까 수성의 근일점 이동은 천왕성의 변칙적인 궤도와 달리 뉴턴역학의 허점을 드러내며 일반상대성이론의 손을 들어준 셈이다. … 일반상대성이론은 말하자면 엄마 뱃속에서 막 태어나기 직전에 이미 일차 검증을 통과한 것이다. 만유인력의 법칙에는 안된 일이었지만, 과학계 전체로 보자면 수성의 근일점 이동은 역시나 위기를 기회로 바꾸는 역할을 톡톡히 한 셈이다._〈2부. 보수적 발상〉
P.199
[물리학에서는 대체로] 특수한 경우가 오히려 더 다루기 쉽고, 일반적인 경우가 대체로 더 어렵다. 왜냐하면 특수한 경우란 몇 가지 제한적인 조건이 붙는 것인데, 그러면 다른 자유도를 억제할 수 있어서 물리적으로 단순해지는 경향이 있기 때문이다. 그래서 물리학자들은 일부러 문제를 더 쉽게 해결할 수 있는 특수한 상황부터 시작하는 경우가 많다. 보통은 모종의 대칭성을 도입해 문제를 단순화한다. 일반적인 경우는 이와 반대다. 허용되는 자유도가 너무 많아 이를 깔끔하게 다루기가 어렵다._〈3부. 실용적 발상〉
P.283
그러니까 아인슈타인은 시간과 공간이라는 개념이 우리 우주 본연의 언어가 아니라 인간의 번역어일 뿐임을 밝히고 새로운 우주 본연의 언어를 발견해 그 언어로 우주를 다시 기술한 셈이다. 우주 본연의 언어란 바로 광속이었다. 아인슈타인은 광속이 매우 특별해서 갈릴레이식의 속도 덧셈법이 적용되지 않음을 간파했다. 그래서 광속은 어떤 관성좌표계에서도 변하지 않는다는 점을 새로운 이론의 전제조건으로 제시했다. 이는 곧 아인슈타인이 우주의 언어로서의 광속을 인식했다는 뜻이다._〈4부. 혁명적 발상〉
P.387-388
단순함에는 주전원처럼 어떤 이론을 보조하는 수단의 개수가 적다는 것 말고도 여러 층위의 종류가 있을 수 있다. 태양중심설은 지구중심설보다 ‘개념적으로’ 단순하다. 행성들과 태양의 움직임을 관측한 결과를 놓고 보면 태양과 행성들의 상대적인 운동은 행성이 태양을 중심으로 공전한다고 보는 것이 자연스럽다. 이런 까닭에 후대의 튀코 브라헤는 다른 행성들이 태양 주변을 공전하고, 이들 모두가 한꺼번에 지구 주위를 공전하는 천체관을 제시하기도 했다. 그러나 그럴 바에야 차라리 지구 또한 태양을 중심으로 회전하고 있다고 보는 것이 더 단순하다._〈6부. 미학적 발상〉
P.392
19세기에는 제임스 클러크 맥스웰이 전기 현상과 자기 현상을 자신의 이름이 붙은 방정식(맥스웰 방정식) 속에서 하나의 ‘전자기 현상’으로 통합했다. 예컨대 전기장의 시간에 따른 변화는 회전하는 자기장을 생성하며, 자기장의 시간에 따른 변화는 회전하는 전기장을 생성한다. 후자는 곧 발전기의 원리이기도 하다. 전기와 자기를 별도의 현상이 아니라 전자기라는 현상의 두 양상으로 이해하는 것은 단순성이라는 관점에서 아주 효율적이다. 과학자들은 이런 식의 통합을 좋아한다._〈6부. 미학적 발상〉
P.425
우리가 과학에 다시 주목해야 하는 이유가 여기 있다. 지식의 창조에서 가장 성공적이었던 분야가 바로 과학이기 때문이다. 단순히 수많은 과학지식 자체가 중요한 것이 아니다. 그 지식들이 대체 어떻게 탄생했는지, 과학은 왜 과학적이며 왜 그토록 성공적이었는지를 메타과학적인 관점에서 분석하고 벤치마킹할 필요가 있다. 물고기 잡는 법을 제대로 알아야 한다. 요즘 유행하는 단어를 빌리자면, 과학은 하나의 플랫폼, 즉 지식 창출에 가장 성공적인 플랫폼이다. 플랫폼의 시대에는 플랫폼에 나타나는 최종 결과물에만 집착하지 말고(그건 이제 기계가 훨씬 더 잘한다) 플랫폼의 구조와 작동방식을 이해하고 익혀야 한다. 그것이 새로운 시대에 효과적인 생존전략이다. 이 책에서 과학자들의 발상법을 추적한 것도 이런 이유에서다. 지식 창조의 방법론을 알아야 인공지능에 휘둘리지 않고 인공지능이 내놓은 결과물을 냉정하게 평가할 수 있다._〈후기〉
'목차'는 준비 중입니다.
작가이미지
저자 이종필
물리학자. 과학 커뮤니케이터. 서울대학교 물리학과를 졸업하고 같은 대학원에서 입자 물리학으로 박사학위를 받았다. 한국과학기술원KAIST 부설 고등과학원KIAS, 연세대학교, 서울과학기술대학교에서 연구원으로, 고려대학교에서 연구교수로 재직했다. 현재 건국대학교 상허교양대학 교수로 재직 중이다. 저서로 《샐러리맨, 아인슈타인 되기 프로젝트》 《우리의 태도가 과학적일 때》 《신의 입자를 찾아서》 《이종필 교수의 인터스텔라》 《물리학 클래식》 등이 있고, 번역서로 《물리의 정석》 시리즈, 《그림으로 보는 모든 순간의 과학》 《블랙홀 전쟁》 《최종 이론의 꿈》 등이 있다.
인공지능 시대, 어떻게 사고할 것인가?
막다른 곳에서 혁신의 길을 연 과학자의 생각법
과학의 언어인 수를 통해 생각하고 상상하는 법부터
이론의 한계를 발상의 전환으로 돌파한 과학사 속 사례까지,
과학자의 사고 전략이 궁금한 이들과 과학자를 꿈꾸는 이를 위한 한 권의 책
이종필 교수의 20여 년에 걸친 교육과 연구를 통해 탄생한 책
과학 이론이 확립된 맥락과 더불어 기초 교양 지식을 익힌다
《물리학, 쿼크에서 우주까지》《이종필 교수의 인터스텔라》를 비롯한 교양과학서와 일간지 칼럼 등을 통해 오랜 시간 대중과 소통해온 물리학자 이종필 교수의 신작 《과학자의 발상법》이 출간되었다. 저자는 지난 20여 년간 물리학을 연구하고 교육하면서 과학의 역사 속 위대한 발견을 이끈 과학자의 생각법에 각별한 관심을 갖고 탐구해왔고, 이를 6가지 발상법으로 정리해냈다. 그러므로 과학자가 기존의 이론에 대해 생각한 방법에 초점을 맞추어 과학 지식과 과학사를 살펴본다는 이 책의 독창적인 콘셉트는 오랜 시간 저자가 활동하며 고민해온 시간으로부터 탄생했다고 할 수 있다.
 
이 책은 과학의 언어인 수를 통해 생각하고 상상하는 법부터, 이론의 한계를 발상의 전환으로 돌파한 과학사 속 사례까지, 정량적 발상, 보수적/혁명적 발상, 실용적/미학적 발상까지 지식의 도약과 패러다임 전환을 이끈 발상법을 차근차근 살펴본다. 독자들은 과학사 속 지식의 생산 과정을 두루 살펴볼 수 있을 뿐 아니라, 과학자의 생각법에 초점을 맞추어 새로운 관점으로 과학사와 그 지식을 정리해볼 수 있다. 그 과정에서 물리학을 중심으로 한 기초 과학 지식도 상세히 설명하고 있어, 책을 읽고 나면 어떤 물리학 교양서를 읽기에도 충분한 배경지식을 쌓을 수 있다. 과학자의 사고 전략이 궁금한 이들과 과학자를 꿈꾸는 이들에게 이 책은 최고의 선물이 될 것이다.
 
지식의 도약과 패러다임 전환은 어떤 식으로 일어나는가?
문제를 해결하고 새로운 지식을 탄생시키는 여섯 가지 전략
이 책에서는 여섯 가지 발상법을 주제로 과학 지식과 과학사를 재배치한다. 독자들은 각각의 주제에 맞게 과학사에서 이루어진 발견들을 살펴보면서 고전역학과 양자역학, 거시세계와 미시세계에 대해 밝혀진 물리학 지식을 비롯해 상대성이론, 우주론, 방사능, 전자기, 주기율표, 유전자 등에 관한 기본적인 과학 지식 또한 익힐 수 있다. 지금까지 결론이 난 이론만 다루는 것이 아니라 그 이론이 오늘날처럼 정립되기까지 여러 과학자들이 겪었던 시행착오와 사고 과정, 아직까지 설명되지 않아 과학자들이 앞으로 풀어야 할 과제에 대해서도 살펴본다. 이를 통해 독자들은 자연법칙을 더 쉽게 이해할 수 있을 뿐 아니라, 인류가 과학을 한다는 것이 어떤 의미인지도 고민해볼 수 있을 것이다. 각 부에서 다루는 발상법들을 하나씩 소개한다.
 
1부. 워밍업―정량적 발상
수는 과학의 세계에서 사용하는 공통 언어로, 과학은 객관성과 재현 가능성을 확보하기 위해 수치를 사용한다. 워밍업을 위해 맨 앞에 배치된 1부에서는 일상생활에서 쉽게 접하게 되는 수의 의미를 추적하면서 수를 사용해 생각하고 추론하는 방법을 살펴본다. 대입 혹은 입사 시험에서 만나기도 하는 수리추정 문제, 이를테면 지구의 질량이나 바다의 부피를 재거나 일정 지역에 있는 치킨집의 개수 혹은 피아노 조율사의 수 등을 어림잡아 세는 것과 같은 문제를 풀 때 그것이 어떤 추정과 연산을 통해 가능한지 알아본다.
 
그 방법 중 하나로 물리학자들이 즐겨 사용하는 ‘차수추정’이 제시되기도 한다. 예를 들어 피아노 조율사의 수를 구하는 문제에서 일반적인 조율 횟수를 ‘1년에 한 번’ 혹은 ‘1년에 열 번’ 중에서 하나를 선택하는 것과 같이, 추정하는 수를 십진법의 차수만 생각해서 따져보는 것으로, 좀 더 쉽게 수치 판단을 가능하게 한다. 인체의 크기와 질량을 차수추정 해보면 “사람의 몸은 대략 1미터 크기이고, 질량은 약 100킬로그램이다. … 즉 성인 기준으로 사람의 키는 대체로 10미터보다는 1미터에 가깝고, 몸무게는 10킬로그램보다는 100킬로그램에 가깝다는 뜻이다.”(42쪽) 1장에서는 이와 같이 수치를 좀 더 쉽고 직관적으로 이해할 수 있는 방법들을 알려준다. 더불어 감염병 진단, DNA 검사, 수능 점수 표기 등에 사용되는 수치를 짚어보며 통계학의 숫자들이 의미하는 바에 대해서도 살펴본다.
 
2부. 보수적 발상
2장부터는 본격적으로 과학사 속에서 드러난 과학자들의 생각법과 태도들을 살펴본다. 기존 지식에 위배되는 새로운 현상이 발견되었을 때 원래 있던 이론을 꼭 완전히 다른 이론으로 대체해야만 하는 것은 아니다. 이전 체제로 어디까지 설명할 수 있는지를 명확히 알고, 가능하다면 기존 이론을 확장 혹은 일반화하여 새로운 지식을 포용하는 것 역시 중요하다. 새로 발견한 천왕성의 궤도가 뉴턴역학으로 설명되지 않자 미지의 행성을 도입했던 것(이는 이후에 해왕성으로 밝혀졌다)이나 방사성 붕괴라는 새로운 현상을 설명하기 위해 미지의 입자인 중성미자를 도입했던 사례가 여기서 소개된다. 고전물리학으로 설명하기 어려웠던 수성의 근일점 이동에 대한 이해와 중력파나 힉스입자 같은 현대 물리학의 발견이 어떻게 보수적 발상을 통해 이루어졌는지 살펴보고, 더 나아가 암흑물질이나 고리양자중력과 같이 아직 해결되지 않은 미스터리에 대해서도 이야기한다.
 
3부. 실용적 발상
당면한 문제를 해결하는 실용성에 집중하면 낡은 틀에 얽매이지 않고 그 틀을 깰 수 있다. 3부에서는 과학이 임시방편적인 가설을 세우는 것(보어의 원자모형), 상황을 단순화시켜 일반화를 하는 것(일반상대성이론), 규칙을 통해 발견되지 않은 존재를 예측하는 것(주기율표와 게이지 입자), 막대한 예산과 기술을 사용한 물량공세로 관측 영역을 확장하는 것(망원경과 현미경)과 같은 실용적인 방법을 통해 새로운 지식으로 나아갔던 사례들을 살펴본다.
 
4부. 혁명적 발상
어떻게 다르게 생각할 것인가? 4부에서는 발상의 전환, 역발상, 직관과 어긋난 쪽으로 생각하기, 전제를 극단까지 밀어붙이기, 전혀 다른 것들을 연결하기의 사례들이 제시된다. “전류가 흐르는 도선이 주변에 자석과 같은 효과를 만들 수 있다면, 자석이 도선에 전류를 흐르게 할 수도 있지 않을까?”와 같은 패러데이의 역발상, “전통적인 파동인 빛이 입자적 성질을 갖고 있다면, 전통적인 입자인 전자도 파동적 성질을 가질 것”이라는 드브로이의 과감한 가정이 이끌어낸 발견을 살펴본다. 또한 4부에서는 양자역학을 비롯한 현대 물리학의 주요 개념과 주제, 쟁점도 더 깊이 들여다본다. 얽힘(슈뢰딩거의 고양이), 블랙홀, 다중우주, 끈이론, 핵분열, 초전도 현상 등의 발견이 왜 그토록 혁명적이라고 하는지에 대해서도 이해할 수 있을 것이다.
 
5부. 실패할 결심
이 책은 전반적으로 문제를 해결해낸 경우들을 살펴보고 있지만, 과학에 언제나 성공만 있는 것은 아니다. 오히려 실패야말로 과학 활동에 필연적으로 동반되는 요소라고 할 수 있기에, 실패를 잘 들여다보는 것이 중요하다. 멘델의 유전법칙, 암모니아 촉매 개발, 중력장 방정식, 행성의 타원 궤도, 정상상태우주론, 초전도체 등과 관련하여 과학자들이 어떻게 실패해왔는지, 이런 실패에서 어떻게 나아갈 수 있는지 살펴본다.
 
6부. 미학적 발상
아름다움을 추구하는 욕망이 과학 활동을 특정한 방향으로 이끌기도 한다. 6부에서는 과학이 추구하는 단순함, 대칭성, 필연성, 자연스러움은 무엇이며, 그것은 어떻게 새로운 발견을 가능케 하는지 살펴본다. 태양중심설과 표준모형은 각각의 이전 이론들보다 어떤 면에서 단순한지, 뉴턴·맥스웰·아인슈타인은 어떻게 여러 현상을 하나의 원리로 통합했는지, 물리학자들이 왜 보존량을 좋아하는지, 표준모형을 비롯한 어떤 이론들은 왜 필연적으로 존재할 수밖에 없었는지, 아직까지 해결되지 못한 우주론의 난제에는 무엇이 있는지 등의 문제를 다룬다. 이 부를 통해 과학이 미학적 발상과 결코 동떨어져 있는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다.
 
인공지능 시대, 왜 과학자의 생각법인가?
과학이라는 플랫폼을 돌아보며 나아갈 방향을 찾는다
바야흐로 인공지능의 시대라 할 만한 오늘날, 인간의 능력과 지능에 대한 질문 또한 새롭게 고민되고 있다. ‘인공지능이 가장 먼저 대체할(혹은 가장 나중에까지 대체하지 못할) 직업은?’이라는, 많은 매체들에서 던진 질문은 그러한 상황을 반영한 것일 테다. 과학자라는 직업은 어떠할까? 이를 알기 위해서는 과학 연구와 지식의 생산이라는 작업이 어떤 방식으로, 어떤 능력을 바탕으로 이루어져 왔는지를 알아야 한다. 이 책은 바로 그 ‘사고방식’을 들여다보는 책이다.
 
더 나아가 이런 질문을 던져볼 수도 있다. 그렇다면 왜 과학일까? 지금 왜 과학 지식과 그것이 만들어진 메커니즘을 살펴보아야 할까? 저자는 후기에서 과학은 “지식의 창조에서 가장 성공적이었던 분야”로, “과학은 하나의 플랫폼, 즉 지식 창출에 가장 성공적인 플랫폼”이라며, 이렇게 밝힌다. “플랫폼의 시대에는 플랫폼에 나타나는 최종 결과물에만 집착하지 말고(그건 이제 기계가 훨씬 더 잘한다) 플랫폼의 구조와 작동방식을 이해하고 익혀야 한다. 그것이 새로운 시대에 효과적인 생존전략이다.”(425쪽) 결국 이 책은 과학이 오늘날의 ‘과학’이 된 여정을 살펴보면서 앞으로 나아갈 방향을 고민하자는 제안이기도 한 셈이다.