2008. 3. 12 환경대학원 특강 과학이란 무엇인가? 논문은 어떻게 쓸 것인가? 서울대학교 환경대학원 이 정 전

차례 논문의 구성 과학적 방법 Karl Popper와 반증주의(falsificationism) Kuhn의 패러다임 이론 Lakatos의 연구프로그램

1. 논문의 구성

논문의 출발점 Aristotle: “경이(wonder)는 지식의 시작이다.” Karl Popper: “과학은 문제로부터 출발한다.” ⇒ 문제의식의 중요성 ⇒ 관찰의 중요성 과학은 관찰로부터 시작된다? → 아니다 ! ∵ 어떤 현상을 문제로 의식하게 만드는 것은 이론임. 무엇이 문제인가? → 이론 의존적(theory-laden)

논문의 출발점 <예1> <예2> 과학은 단순한 관찰로부터 출발하는 것이 아님. ✓문제: 박쥐들은 시력이 매우 약한데도 어떻게 밤에 잘 날아다닐 수 있는가? ✓이것이 왜 문제? 박쥐가 밤에도 자유자재로 날아다니는 현상은 동물이 오직 그들의 ‘눈’으로 세상을 본다는 이론에 비추어 보면 문제시되는 현상임. <예2> ✓문제: 우리나라 부동산 가격은 터무니없이 비싸다. → 주장: 정부의 강력한 대책이 요구된다. 많은 경제학자들이 이론에 입각하여 이것이 별 문제가 아님을 주장함. 과학은 단순한 관찰로부터 출발하는 것이 아님.

논문 작성 ❶무엇이 문제인가를 분명히 기술 ❷이론탐구와 문헌조사 ❸가설(hypothesis)의 설정 그것이 왜 문제인가도 설명 그 문제에 대하여 다른 학자들은 어떻게 생각하였는가를 조사하고 이해 ❸가설(hypothesis)의 설정 그 문제에 대한 연구자 본인의 생각을 명료한 주장으로 구체화함.

논문 작성 <가설설정의 예> 기존의 가설(혹은 기존의 이론): 동물은 눈으로 세상을 본다. 새로운 가설: 박쥐는 귀로 세상을 본다. (논문: 엄밀한 가설) 좀 더 엄밀한 가설: 박쥐는 음파를 발사한 후 되돌아오는 음파를 듣는다.

논문 작성 ◇가설의 요건(김광웅, 『방법론 강의』) ✓가설은 특정 문제에 해답을 주는 것이어야 한다. ✓가설은 간단명료해야 한다. ✓가설은 검증 가능해야 한다. ✓가설에는 너무나 당연한 것을 그 내용으로 삼을 수 없다. (“정치적 행위는 근본적으로 인간이 결정한다.”) ✓가설에 정의가 포함되어서는 안 된다. (“총각은 아직 결혼하지 않은 남자다.”)

논문 작성 ◇가설과 명제 가설: 경험적으로 확인되지 않은 상태의 주장 명제(proposition): 경험적 근거에 입각하여 확인된 가설 공리(axiom): 그 차제가 진실이라고 인정되는 명제 (명제보다 경험적 근거가 확실한 선험적인 것) 정리(theorem): 몇 개의 공리로부터 연역된 주장

논문 작성 ❹가설의 입증 과학적 방법으로 입증해야 함. → 연구 방법의 문제 어떤 연구방법을 채택할 것인지를 설명해야 함. 실험, simulation, 통계분석, 설문조사, 참여-관찰 등 어떤 연구방법을 채택할 것인지를 설명해야 함.

2. 과학적 방법

귀납적 방법 ◇기본개념 <예> (1) 금속 x1는 가열했을 때 팽창하였다. 특수한 사실로부터 일반적 원리로서의 결론을 얻는 방법(김광웅, 『방법론 강의』) <예> (1) 금속 x1는 가열했을 때 팽창하였다. (2) 금속 x2는 가열했을 때 팽창하였다. → 개별진술 　 ․　․　․ (n) 금속 xn는 가열했을 때 팽창하였다. ____________________________________________ 결론: 모든 금속은 가열했을 때 팽창한다. → 일반진술 (general statement)

귀납적 방법 ◇경험론(empiricism) 우리는 귀납을 통하여 세상에 대한 새로운 것을 배우게 됨. 과학은 세상에 대한 새로운 지식의 축적 우리의 지각을 통하여 획득된 증거에 부합하는 지식만이 올바른 지식 ◇과학에 대한 과거의 전형적인 주장: [사실→ (귀납) → 이론] “과학은 사실로부터 유도된다.(Science is derived from the facts.)” ➀과학적 탐구는 사실에 대한 관찰로부터 시작 ➁귀납적 추론에 따라 관찰된 사실에 대한 법칙의 구성 ➂이 법칙의 시사점을 관찰된 사실과 비교함으로써 그 법칙이 참임을 입증 ➃계속된 검증을 통해서 보다 더 일반화된 진술, 즉 이론에 이르게 됨.

귀납적 방법 ◇과학적 설명과 예측의 일반적 형태 (1) 법칙과 이론 (2) 초기 조건 ___________________ (3) 예측과 설명 (1) 순수한 물은 0도에서 언다. (2) 내 차의 방열기에는 순수한 물이 들어 있다. ___________________ (3)기온이 0도 이하로 떨어지면, 내 차의 방열기안에 있는 물은 얼 것이다. 이 주장은 논리적으로는 정당함. 만일 (1)과 (2)가 옳으면, (3)역시 옳음. 귀납논자에 의하면 과학적 참의 원천은 논리가 아니라 경험임. (1)이 옳은지 아닌지는 직접적 관찰을 통해서 확인되어야 함. 관찰과 귀납논리에 의해서 (1)과 (2)가 확인된다면 (3)은 이로부터 추론됨.

귀납적 방법 ◇귀납적 논리의 호소력 논문의 주장: 위의 세 가지 요건을 갖춘, 일반화되고 검증 가능한 주장 과학적 지식의 특성： 객관성, 신뢰성, 유용성 정당한 귀납론에 입각한 주장은 이 세 가지 요건을 갖춤. 논문의 주장: 위의 세 가지 요건을 갖춘, 일반화되고 검증 가능한 주장

연역적 방법 ◇관찰할 수 없는 것들에 대한 지식? <예> protons, electrons, genes, DNA 등에 입각한 지식 지각을 통해서 얻은 사실 또는 그런 사실에 의해서 확인된 것만이 우리의 지식이 되는 것은 아님. 현대의 많은 과학적 지식들이 관찰할 수 없는 것에 대한 것들임.

연역적 방법 ◇경험적 증거가 필요 없는 지식 ✓우리의 사고(thinking)만으로 얻을 수 있는 지식 세 마리의 고양이에서 두 마리를 선택하는 방법은 몇 가지? →　3가지. ⇒　증거를 수집하지 않고도 알 수 있음. 선험적 지식: 아무런 사전적 증거 없이 얻을 수 있는 지식 수학은 대표적인 선험적 지식 ✓분석적 신념: 단어의 뜻만 알면 의심할 바 없이 알 수 있는 신념 “모든 총각은 결혼하지 않았다.”, “어머니의 어머니는 할머니다.” “물소는 돌멩이가 아니다.” 이 말이 옳다는 증거를 댈 필요가 없음.

연역적 방법 ✓논리적 진리(logical truth) <예1> [p or q, not q;　therefore p] 그 사람은 여자이거나 남자이거나 둘 중의 하나다. 그 사람은 여자가 아니다. 그러므로 그 사람은 남자다. <예2: 삼단논법> (1) 서울대학교 환경대학원 학생은 똘똘하다. (2) A는 서울대학교 환경대학원 학생이다. ------------------------------- (3) 그러므로 A는 똘똘하다. (1)과 (2)는 전제; (3)은 결론. (1)과 (2)가 옳으면 (3)은 옳을 수밖에 없음. (1)과 (2)를 인정하면서 (3)을 부정하는 것은 모순임.

연역적 방법 ◇이론의 개발 ✓Newton의 방식 ✓갈릴레오의 방식 우선 이론적 문제부터 해결 단순하고 이상화된 상황부터 시작 더 복잡하고 현실적인 상황으로 단계적 이행 자신의 이론이 실제 관측과 부합하는지를 검증 ✓갈릴레오의 방식 우선, 머릿속에서 가상적 실험 그 다음, 현실에 대한 관찰

연역적 방법 ◇가설-연역적 모형(the hypothetico-deductive model) 가설 및 이론 → (연역) → 예측, 시사점 → 검증 가설의 출처: 기존의 이론이나 가설, 일반상식, 연구자 개인의 경험, 능력, 지혜, 직감 ※실증주의: 현실에 대한 지식은 오직 경험에 의해서만 정당화될 수 있으며, 이론의 검증은 그 예측들의 성공에 달려 있음.

귀납론과 연역론의 상호보완성 ◇귀납적 논리와 연역적 논리의 종합 ✓귀납적 논리 약점(Karl Popper 참조) ✓연역적 논리의 약점

귀납론과 연역론의 상호보완성 <정당한 논리, 틀린 주장> 논리적으로는 완전히 타당한 주장. (1) 모든 고양이는 발이 다섯이다. (2) 얼룩이는 내 고양이다. ______________________________________ (3) 얼룩이는 발이 다섯이다. 논리적으로는 완전히 타당한 주장. 그러나 (1)이 틀렸으므로 (3)도 틀렸음. 전제가 옳으냐 아니냐는 논리에 호소해서 해결될 문제가 아님. 주장의 전제가 되는 사실진술의 참은 논리의 문제가 아님. ⇒ 연역적 논리만으로 참된 지식을 얻을 수 있는 것은 아님.

귀납론과 연역론의 상호보완성 ◇과학적 방법의 전개과정(김광웅, 『방법론 강의』) 연역 분석의 세계 이론 예측 　　　　　　　 연역　　　　 분석의 세계 이론 예측 __________________ (귀납) ____________ (검증) ___ 사실의 세계 사실 사실

과학의 목적 ◇두 가지 견해의 대립 ◇설명의 과정 ✓과학의 목적은 현실에 대한 설명 및 이해 ✓과학은 목적은 정확한 예측 설명 → “아하, 그렇구나.” ⇒ 설명 → 원인 규명 설명이란 신비하고 알지 못하는 것을 친숙하고 잘 아는 것으로 환원함. 무엇을 설명한다는 것은 ‘왜?’라는 질문에 대답하는 것임. 현상 또는 사건에 대한 과학적 설명 ⇒ 그것이 이미 확립된 경험적 법칙의 한 사례임을 보이는 것. ⇒　어떤 특정 법칙들에 의거하여 발생한 것임을 보임으로써 사건이나 현상을 설명

과학의 목적 ◇예측의 과정 ◇대칭의 명제(the symmetry thesis) 예측: 보편적 법칙과 초기조건으로부터 출발해서 미지의 사건에 대한 진술을 이끌어냄. ⇒　예측은 해당 보편적 법칙이 실제로 옳은지를 알기 위한 수단이 됨. ◇대칭의 명제(the symmetry thesis) 설명과정과 예측과정은 동일한 논리적 추론원칙을 내포함. 이 둘 사이의 유일한 차이: 설명은 사후적, 예측은 사전적 요컨대 설명은 단순히 예측을 거꾸로 한 것임. →　설명의 특성과 예측의 특성 사이에는 논리적으로 완전한 대칭관계

과학의 목적 ◇대칭의 명제에 대한 반론 설명과정과 예측과정이 완전한 대칭관계에 있다고 볼 수 없음. 설명은 잘 하지만 예측을 잘 하지 못하는 이론 예측은 잘 하지만 설명을 잘 하지 못하는 이론

과학의 목적 <예1: 뉴턴의 중력법칙> <예2: 다윈의 진화론> 뉴턴의 중력법칙은 천체의 움직임이나 조수의 변화, 물체의 낙하 등 수많은 현상을 잘 예측하였음. 아무도 뉴턴의 중력법칙의 예측력을 부정하지 못했음. 하지만 뉴턴은 왜 그리고 어떻게 그런 인력이 존재하고 작용하는지에 대하여 설명하지 못했음. 뉴턴의 중력법칙은 “아하, 그렇구나.”라는 탄성을 자아내지 못하였음. <예2: 다윈의 진화론> 다윈의 진화론은 자연도태과정을 거쳐 덜 분화된 생물학적 형태가 고도로 분화된 것으로 어떻게 발전해 가는지를 잘 설명해주고 있음. 다윈의 진화론은 이미 발생한 진화과정은 잘 설명해주지만 앞으로 어떤 진화과정이 나타날지는 잘 예측해주지 못함. 각기 다른 환경적 상황에서 생물 종의 생존율에 대한 명확한 보편적 법칙을 제시해주고 있지 못함. 예를 들어서 수영할 수 있는 생물이 홍수에 살아남을 가능성(possibility)은 말해주지만 확률(likelihood)은 말해주지 못함. 프러이트의 심층 심리학이나 뒤르껭(Durkheim)의 자살이론 역시 설명은 잘 해주지만 예측은 잘 하지 못함.

3. Karl Popper와 반증주의(falsificationism)

Karl Popper의 문제제기 실증주의의 문제점 ◇관찰의 오류 ◇우리의 머릿속에 있는 것 → 사실(관찰) 의문시되는 주장: “과학은 사실로부터 유도된다.” ◇관찰의 오류 “지구는 정지해 있다.” “화성과 금성의 크기는 일년 내내 일정하다.” ※망원경의 신뢰성 ◇우리의 머릿속에 있는 것 → 사실(관찰) ⇒ 사실(관찰)의 이론 의존성 　<예1: 숨은 그림 찾기> 　<예2: 점화효과> 　<예3: X-ray 사진판독>

<예2: 점화효과>

<예2: 점화효과> 이 그림이 쥐로 보이는가? 안경 쓴 사람으로 보이는가?

Karl Popper의 문제제기 귀납 논리의 문제점 ☞ 과학적 방법의 첫 번째 계명 아무리 많은 백조가 관찰되더라도 모든 백조가 하얗다는 결론을 만들어낼 수는 없음. ∵ 그런 결론은 단 한 마리의 검은 백조의 관찰에 의해서 부정됨. 우리가 과거에 경험한 것이 미래에도 계속된다는 보장은 전혀 없음. ⇒　관찰 가능한 사실로부터의 일반화는 담보될 수 없음. ☞ 과학적 방법의 첫 번째 계명 어떤 이론이 틀렸음을 증명할 수는 있어도 옳음은 절대로 증명할 수 없음.

Karl Popper의 문제제기 귀납론의 특징: 한정된 것에 대한 진술로부터 모든 것에 대한 진술로 넘어간다는 것. → 논리의 비약 ⇒ 증거(전제)가 시사하는 것보다 더 많은 것을 주장하게 됨. ☞과학적 방법의 두 번째 계명 “증거(사실)가 얘기하는 것보다 더 많은 것을 주장하지 말라.” 증거(사실)가 얘기하는 것보다 더 많은 것을 주장 →　비과학적이라는 비난

포퍼의 과학관 – 반증의 논리 반증의 논리 과학: 현실 세계에 대한 가설로서 관찰에 의해서 반증 가능한 가설의 집합체 가설이 과학적 주장이 되기 위한 조건: 반증가능성 (가설이 틀렸음을 증명할 수가 있어야 함.) 반증된 이론은 과감하게 폐기해야 함. 반증 가능한 주장: 내용이 있는 유익한 정보를 제공

포퍼의 과학관- 반증의 논리 ◇반증가능한 주장 ◇반증가능하지 않은 주장 주장 1: 내일은 비가 올 수도 있고 안 올 수도 있다. 주장 2: 총각은 아직 결혼하지 않은 남자다. 점쟁이 얘기의 대부분 ◇반증가능한 주장 (a)화성은 타원형 궤도를 따라 태양의 주위를 돈다. (b)모든 행성은 타원형 궤도를 따라 태양의 주위를 돈다. (b)는 (a)보다 더 많은 지식을 제공함. (a)가 거짓임이 증명되면 (b)역시 거짓임이 증명되지만 그 반대는 아님. 따라서 (b)가 더 반증 가능성이 높음. 그러므로 (b)가 더 좋은 이론임

과학의 발전 ◇가설이 과학적 지식이 되기 위한 요건 (1)높은 반증가능성 우수한 이론 우수한 이론　 ✓세상에 대하여 매우 폭넓은 주장을 함으로써 결과적으로 반증 가능성도 높은 이론 ✓반증하기 위한 검증을 잘 견디어 내는 이론

과학의 발전 귀납논자(혹은 verificationist)의 주장 반증주의자의 주장 확인되는 사례의 수↑ → 이론에 대한 지지↑ → 이론이 옳을 가능성↑ → 더 좋은 이론 반증주의자의 주장 반증가능성이 더 높은 이론 →　더 좋은 이론 Newton의 이론은 Kepler의 이론보다 훨씬 더 반증 가능성이 높음. 그럼에도 불구하고 Newton의 이론은 반증을 이겨냈음. 그러므로 Newton의 이론이 Kepler의 이론에 비해서 더 우수함.

과학의 발전 (2)과학의 발전에 기여해야 함. 풍부한 상상력, 대담한 추측을 담은 자유분방한 가설 → 과학의 발전 대담한 추측의 확인, 조심스러운 추측의 반증 → 과학의 발전 이론은 추측으로부터 시작 Newton의 물리학은 추측으로부터 출발 아인슈타인의 상대성 이론: Newton의 물리학이 풀지 못하는 문제에 대한 많은 추측가설들 중의 하나이었음.

과학의 발전 ※임시방편 수정: 단순히 이론을 반증으로부터 보호하기 위한 이론의 수정 <예1: 달 표면에 대한 논쟁> <예2: 과거의 연소이론과 현대의 연소이론>

4. Kuhn의 패러다임이론

반증주의에 대한 반론 ◇반증주의의 논리적 모순 [이론 T → F는 불가능, 그러나 F가 관찰되었음.] ∵사실의 이론 의존성 <예: 수성과 금성의 크기> 코페르닉크스의 지동설 → 관측된 수성과 금성의 크기 변화 관측된 사실: 관측된 수성과 금성의 크기 불변　　 ⇒ 지동설 폐기?

반증주의에 대한 반론 ◇역사적 사실과 불일치 반증을 이유로 한 이론의 폐기 → 과학의 퇴행 수많은 위대한 과학이론들이 반증되었음. 코페르닉크스의 지동설, 뉴턴의 물리학 모두 폐기되어야 함. <예: 코페르닉크스의 지동설> 수많은 반증을 방어할 수 없었음. 낙하물체가 제 자리에 떨어지는 이유? 달이 튕겨나가지 않는 이유? 관측된 수성과 금성의 크기가 일정한 이유? <예: 뉴턴의 이론> 천왕성 궤도의 예측치 ≠ 관측된 궤도 반증을 이유로 한 이론의 폐기 → 과학의 퇴행

패러다임과 정상과학 ◇패러다임: 세상을 보는 특정 관념적 틀(conceptual framework) ◇패러다임의 구성요소 ➀핵심: 기본법칙과 이론적 가정들 중력의 법칙 → 뉴턴 물리학의 핵심 <예: 경제학의 핵심> 가정: 사람들은 합리적으로 행동한다. 사람들은 상품에 대하여 완전한 정보를 가지고 있다 등. 결론: 가격이 떨어지면 구매가 증가한다.

패러다임과 정상과학 ➁연구방법: 기본법칙을 어떻게 현실에 적용할 것인가에 대한 표준적 방법들 기본법칙이 현실과 어떤 관계가 있는지를 알아내는데 필요한 도구의 설치 및 도구적 기법들 아리스토텔레스의 물리학: 인간의 지각에 의한 관찰 중시 뉴턴의 물리학: 망원경에 의한 관찰을 인정 ➂기타: 철학, 방법론상의 규범적 지침 등 자신이 속한 패러다임에 대한 비판적 태도 금지

패러다임과 정상과학 ◇정상과학 패러다임을 응용하고 보완하고 발전시키는 활동 퍼즐풀기 기본법칙을 현실에 응용함에 있어서 당면하는 여러 가지 문제들을 해결 → 수학적 기법의 개발, 적합한 가정의 개발 등

과학 혁명 ◇ pre-science 기본적인 것에 대한 전면적이고 끊임없는 논쟁 → 소모적 논쟁 해당 과학의 발전이 있을 수 없음. 패러다임의 정당성에 대한 신뢰 → 퍼즐풀기에 집중 → 패러다임과 현실 사이의 간격 좁히기 → 과학의 발전

과학 혁명 ◇위기와 혁명 ◇과학의 발전을 판단하기 위한 기준 패러다임의 근본을 뒤흔드는 변칙적 현상의 지속 → 전문가들의 위기의식 → 새로운 패러다임의 모색 → 혁명 <예>아리스토텔레스 패러다임과 뉴턴의 패러다임 ◇과학의 발전을 판단하기 위한 기준 새로운 패러다임과 구 패러다임의 비교불가능 패러다임에 속한 과학자들의 집단적 태도 ⇒상대주의?

5. Lakatos의 연구 프로그램

연구 프로그램의 개념 ◇기본 핵 이론의 미로(maze) → 반증의 어려움 이론: 다수의 법칙 및 원칙들로 구성됨. 이론의 특징을 정의하는 핵심적인 법칙 및 원칙들 → 기본 핵(hard core) 기본 핵은 일반화된 가설로 구성됨. 기본 핵은 이론을 발전시키는 발판이 됨.

연구 프로그램의 개념 ◇보호대 분명한 예측이 가능할 정도까지 기본 핵은 다수의 보조가설에 의해서 보완되어야 함. <예: 코페르닉크스의 지동설의 기본 핵> 지구를 비롯한 행성들은 정지된 태양의 주위를 선회하며, 지구는 자전축을 중심으로 하루에 한 번씩 자전함. <예: 마르크스 이론의 기본 핵> 경제적 요인들 →　계급투쟁의 성격과 내용 계급투쟁 →　사회변화 ◇보호대 분명한 예측이 가능할 정도까지 기본 핵은 다수의 보조가설에 의해서 보완되어야 함. 보조가설의 총체 = 보호대 특정 상황설정에 사용되는 초기조건의 배후를 이루는 가정들 포함

연구 프로그램의 개념 ◇연구 규칙 부정적 규칙: 하지 말아야 할 것에 대한 지침 긍정적 규칙: 무엇을 할 것인가에 대한 지침 기본 핵에 대한 비판 ⇒ 이단자 낙인 기본 핵: 연구프로그램에 속한 과학자들의 방법론적 결정에 의하여 반증가능하지 않게 되어 있음. 긍정적 규칙: 무엇을 할 것인가에 대한 지침 예측 ≠ 관찰 　⇒ 기본 핵 대신 보호대에 속한 가정들을 수정 보호대를 성공적으로 수정하는 과학자는 연구프로그램의 발전에 기여

Lakatos의 과학관 ◇과학과 과학자의 과업 ◇연구프로그램의 현실적 검증 기본 핵 + 보호대 + 연구규칙 → 연구프로그램 기본 핵 + 보호대 + 연구규칙 →　연구프로그램 과학이란 기본 핵의 시사점을 계획적으로 발전시키는 것 과학자의 과업: 연구프로그램의 예측력과 설명력을 높이기 위한 노력 ✓다양한 보조가설을 추가하고 구체화함으로써 보호대를 확장하고 수정 ✓적절한 실험방법 개발, 수학적 기법의 개발 등 ◇연구프로그램의 현실적 검증 연구프로그램이 상당한 정도로 발전된 이후에 이루어져야 함. 반증 여부를 검증하기 전에 정교하고 적합한 보호대가 충분히 마련되어서 그 잠재력을 마음껏 발휘할 기회가 주어져야 함.

Lakatos의 과학관 <예: 코페르니크스의 이론> 무분별한 반증 → 과학에 큰 혼란 갈릴레오와 Kepler: 새로운 생명을 불어넣음. 역학의 발전, 광학의 발전 → 코페르니크스의 이론의 만개 무분별한 반증 →　과학에 큰 혼란 가장 중요한 것은 반증이 아니라 확인(confirmation)임. 연구프로그램의 가치는 참신한 예측이 어느 정도로 확인되었는가에 달려 있음. 과감한 추측이 성공적인 예측을 낳을 경우 → 과학의 발전

Lakatos의 과학관 ◇라카토스의 이론의 한계 ※Feyerabend의 무정부적 과학이론 ✓어떤 연구프로그램을 포기하고 어떤 연구프로그램을 선택할 것인가? ✓기본 핵이라는 것이 실제로 존재하는가? ✓주로 물리학에만 적용되는 이론이 아닌가? 　자연과학의 방법론 ≠ 사회과학의 방법론 ※Feyerabend의 무정부적 과학이론

<끝>