과학과 편견
신동수 (계명대 교수, 화학공학, synnds@kmu.ac.kr) 저
우리는 부분적으로 알고 부분적으로 예언합니다. 온전한 것이 올 때에는 부분적인 것은 사라집니다. 내가 어릴 때에는 말하는 것이 어린 아이와 같고 생각하는 것이 어린 아이와 같았습니다. 그러나 어른이 되어서는 어린 아이의 일을 버렸습니다. 지금은 우리가 거울 속에서 영상을 보듯이 희미하게 보지마는, 그 때에는 우리가 얼굴과 얼굴을 마주 볼 것입니다. 지금은 내가 부분밖에 알지 못하지마는 그 때에는 하나님께서 나를 아신 것과 같이 내가 온전히 알게 될 것입니다.(1고린 13:9-12)
(For we know in part, and we prophesy in part; but when the perfect comes, the partial will be done away. When I was a child, I used to speak as a child, think as a child, reason as a child; when I became a man, I did away with childish things. For now we see in a mirror dimly, but then face to face; now I know in part, but then I shall know fully just as I also have been fully known. - 1 Corinthians 13:9-12, NASB)
인간은 모순과 편견을 딛고 산다고 할 수 있다. 객관성이 생명이라고 할 수 있는 자연과학 분야에도 편견은 많이 있었고, 있으며, 또 있을 것이다. 이 글에서는 현존하고 있는 몇 가지 과학에 있어서의 편견을 지적하고 그 형성원인과 영향 등에 대하여 간단히 생각해 보기로 한다.
오늘날 우리가 흔히 쓰고 있는 온도의 눈금에는 섭씨와 화씨가 있다. 섭씨눈금은 1742년 셀시우스(Celcius)가 1기압에서 물의 빙점과 비점을 각각 0도C와 100도C로 정하여 만든 것이다. 우리의 일상생활에는 비교적 편리한 것의 하나지만 그 뒤 발견된 절대온도에 비하면 아주 보잘것없는 온도이다. 인간에게 물로 된 바다가 없고 대신 암모니아로 된 바다가 있었다면 암모니아의 빙점인 -77.7도C를 0도로, 비점인 -33.4도C를 100도로 택했을 것이다. 화씨온도는 더욱 큰 편견을 가지고 있다. 1714년 파렌하이트(Fahrenheit)가 수은온도계를 만들고 눈금을 새길 때, 그 당시에 얻을 수 있었던 최저온도를 0도F로 하고 자기의 체온을 100도F로 하였다. 그 결과, 물의 빙점은 32도F가 되고 비점은 212도F가 되었다. 인간의 정상체온은 98.6도F이므로 온도계의 눈금을 매길 당시의 파렌하이트는 아마 열이 좀 났던 것으로 생각된다.
원자구조를 공부하는 사람은 1s, 2p, 3d 등으로 전자궤도를 표시한다는 것을 알고 있을 것이다. 차례대로 a, b, c, d라 하지 않고 왜 s, p, d, f라 했을까? 이것도 과학자들의 편견이 빚어낸 결과의 하나이다. 1930년경의 분광학자들은 스펙트럼선을 연구하면서 sharp, principal, diffuse, fundamental 등의 형용사로 그 이름을 붙이고, 그 첫 글자를 따서 s, p, d, f로 표시하였다. 그러나 이것이 별 의미가 없다는 것이 알려지자 그 뒤에 발견된 것은 알파벳 순서를 따라 g, h, i 라고 이름 지었다. 이것이야말로 폴링(Pauling)이 지적한 대로 ‘어중이떠중이들이 등신같이 만들어 놓은 것’(So poorly did foolish Gelehrte have it.)이다. 첫 글자를 따 보라. s, p, d, f, g, h, i가 된다. 그러면서도 이런 이름을 붙인 다수의 학자들이 각각 노벨상을 받았다.
그 다음으로는 주양자수 1, 2, 3에 따른 전자껍질의 이름을 K, L, M껍질이라고 이름 붙인 것을 들 수 있다. A, B, C라고 하지 않고 K부터 시작한 것은 영국의 물리학자 바클라(Barkla)의 짓이다. 그는 1911년 몇 가지 금속판에 X선을 비춰서 그 투과력을 측정하였다. 구리판에서 얻은 복사선 중에서 투과력이 더 강한 것은 K, 약한 것은 L이라 하고, 그보다 투과력이 더 큰 것이 나타나면 A부터 차례로 이름 붙이기로 작정했다. 그러나 K보다 투과력이 더 강한 복사선은 나타나지 않았다. 혹시 바클라가 자기 이름을 드러내려고 K와 L을 택한 것이나 아닐까 의심스럽다. 그도 역시 노벨상을 받았다.
원자번호 2번인 헬륨(helium)은 희랍어 helios(태양)에서 이름을 택한 것이다. 그러나 지금 지구의 대기층에 있는 헬륨은 태양에서 떨어져 나온 것은 전혀 아니다. 지구가 탄생할 당시 태양에서 얻어 나온 헬륨은 이미 우주공간으로 다 흩어져 버렸고, 지구에 있던 방사성물질이 알파붕괴를 할 때 생긴 헬륨만이 공기 중에 포함되어 있다. 이것은 묵과할 수 있다고 하지만 끝이 ‘ium’으로 된 것은 도무지 그냥 지나칠 수 없다. 불활성기체는 헬륨을 제외하고는 모두 ‘on’으로 끝난다. 네온(neon), 아르곤(argon), 크립톤(krypton), 크세논(xenon), 라돈(radon) 등이 다 그렇다. 그런데, 헬륨만은 나트륨(sodium), 마그네슘(magnesium), 이리듐(iridium) 등의 금속원소와 같은 어미로 되어 있는 것이다. 이것은 1868년 로키어(Lockyer)가 이 원소를 발견했을 때 금속이라고 생각하고 붙인 이름이다. 헬륨이란 태양에 있는 금속이란 뜻이다. 태양의 스펙트럼에서는 헬륨이 있다는 것이 확인되고, 수소와 리튬(lithium) 사이에 있으니까 당연히 금속이라 생각한 것이다. 남자에게 ‘숙’이나 ‘자’라고, 아니면 여자에게 ‘식’이나 ‘수’라고 이름 붙인 것과 같다. 더 좋은 이름을 짓는다면 헬리온(helion)이라고 해야 하나, 이미 헬리온은 헬륨의 원자핵(알파입자)의 이름으로 통용되고 있다.
1811년 아보가드로(Avogadro)는 ‘같은 조건 하에서 같은 체적의 기체에는 같은 수의 분자가 포함되어 있다.’는 가설을 발표하였으나, 돌턴(Dalton)을 비롯하여 그 당시의 세계적인 과학자들은 이것을 전혀 믿지 않았다. 실험보다 이론이 앞섰던 그 당시에도 분자니 원자니 하는 것은 너무 추상적이고 막연한 이론이라고 생각되었던 것 같다. 현대의 과학은 그 정반대의 현상을 나타내고 있다. 실험은 굉장히 발달되어 있으나 이론적으로 설명을 하지 못하고 있다.
언젠가 이론과학이 더욱 발달하여 다시 실험과학을 앞지를지도 모른다. 돌이켜 보면 자연과학사도 인류역사와 마찬가지로 나사선 함수의 하나에 속하는 것이다.
인류역사를 나사선 함수로 보는 가장 간단한 실례로는 여자의 옷차림을 들 수 있다. 옛날 역사의 시작 무렵에는 발가벗고 살다가 중세에는 완전히 가리고 살았다. 그 뒤에는 차츰차츰 벗기 시작하였다. 그러나 옛날처럼 완전히 싹 벗어버리는 것이 아니라 보일 듯 말 듯, 아슬아슬하게 벗는 것이다. 그래서 원함수라기보다 나사선 함수로 보는 것이다.
1887년 마이켈슨(Michelson)과 몰리(Morley)는 우주에 에테르가 가득 차 있다는 것을 증명하기 위하여 엄청난 비용을 들여 거대한 실험을 하였다. 그러나 이 실험결과는 보기 좋게 ‘실패’로 끝났다. 실패했기 때문에 이 실험은 물리학사상 최대의 실험으로 평가받게 되고 아인슈타인의 상대성이론을 낳게 되었다. 편견 중에서는 그 결과가 너무도 찬란한 것의 하나라 하겠다.
이렇게 여러 가지의 편견이 형성되고 그들이 우리들의 일상생활과 공존하는 데에는 그만한 이유가 있다. 편견이 귀찮기는 하지만 때로는 편리한 점도 있기 때문이다. 우리의 일상생활에 가장 익숙한 것이 10진법인데도 시간은 60진법을 쓴다. 하루는 스물 네 시간이며 크고 작은 달이 있고 해마다 달력을 바꿔야 함에도 불구하고 시간의 복잡한 진법을 그냥 쓰는 것은 고치기가 힘들다는 이유도 있지만 그런 대로 편리한 점이 있기 때문이다.
편견의 형성원인 중에서 무시할 수 없는 한 가지는 정치적 또는 사회적 압력이다. 중세기에 지동설을 주장하다가 종교재판을 받고 화형을 당한 학자들을 생각해 보면 이것은 쉽게 이해가 된다. 사회적 압력 중에서 비교적 근대의 예로는 노벨상을 들 수 있다. 노벨상을 받으면 세계 최고의 학자로 평가받지만 노벨상 자체도 그리 공정한 것이 되지 못한다. 주기율표를 발견한 멘델레예프(Mendeleev)는 분명히 제1회 노벨상을 받아야 했지만 제외되었고, 유명한 아인슈타인은 상대성이론 때문에 노벨상을 받은 게 아니라 빛의 양자설로 받은 것이다. 그래서 누군가가 “노벨이 다이너마이트를 발명한 것은 용서할 수 있지만 노벨상을 발명한 것은 용서할 수 없다.”고 한 말도 이해가 간다.
하이젠베르크(Heisenberg)의 불확정성원리에 의하면 인간이 관찰할 수 있는 자연계에는 어떤 방법을 써서도 넘을 수 없는 한계가 있다. 그 한계는 인간이나 관찰 도구에 원인이 있는 것이 아니라 자연 자체에 있다.
그런 유한성을 지닌 인간이 방대한 자연의 메커니즘을 관찰하고 설명하고 예언하는데 편견이 없을 수는 없을 것이다. 가능한 최선의 방법으로 자연현상을 설명하고, 모순이 발견되면 또 수정하는 수밖에 없다.
미국과 소련은 서로 다른 기하학을 기초로 우주선을 개발하였다. 삼각형의 안각의 합이 180도가 넘는다고 보는 타원기하학과 180도 미만이라고 보는 쌍곡선 기하학이 그것이다. 예를 들면 영국 그리니치 천문대를 지나는 경도 0도선과 한국을 지나는 동경 127도선, 그리고 적도를 연결하면 큼직한 삼각형 하나가 생긴다. 이 삼각형의 안각의 합은 분명히 180도가 아니라 307도나 된다. 원은 삼각형으로 보아도 좋다. 원에 반지름 하나를 그리고 그 반지름이 두 변을, 원둘레가 다른 한 변을 대표하는 이등변 삼각형으로 보면 되는 것이다. 실제로 작은 아메바 한 마리를 원호 위에 기어가게 하면 그 아메바는 원호가 직선과 같다고 생각한다. 원호와 같은 곡선도 미분가능하기 때문이다.
자연과학의 아버지라 할 수 있는 수학이 이렇게 서로 모순인 기초 위에 놓여 있는데도 그 계산결과가 모두 정확한 것은 더욱 놀라운 일이다. 언어가 다르고 수학이 다르지만 실체에 접근한다는 점에서는 마찬가지인 것이다.
한 문제만 더 다루고 싶다. ‘우주의 크기가 무한한가?’ 하는 물음이다. 우주에 끝이 있다고 대답하면 그 밖에는 무엇이 있느냐고 또 물을 것이다. 편견이라고 공박을 받으면서도 나는 우주가 유한하다고 주장한다.
우주는 물질과 복사에너지로 되어 있다. 물질이란 광속 이하의 속도로 움직이는 존재이고, 복사에너지는 광속으로 움직이는 존재이다. 이 두 가지의 존재가 차지하는 공간이 우주이다. 그런데 안과 밖이라는 개념은 우주의 크기를 생각할 때에는 전혀 가치가 없는 개념이다. 벡터장이론에 나오는 one-sided surface를 생각하면 안과 밖이 다르지 않다는 결론을 쉽게 얻을 수 있다. 그래서 우주의 한 방향을 향하여 계속해서 나아가면 결국 우주를 한 바퀴 돌아서 제자리에 돌아온다는 이야기가 된다. 우주의 끝에서는 안과 밖의 구별이 없어서 어느 쪽으로 가거나 마찬가지로 우주의 안쪽으로만 들어오게 되어 있다. 북극을 출발한 한 사람이 어느 쪽으로 가든지 그는 남쪽으로만 간다는 것과 같다.
아인슈타인은 일반상대성이론에서 이런 방법으로 우주의 크기를 계산하여 그 직경이 얼마라고 발표한 적이 있다. 천문학자들은 이 우주가 팽창한다고 한다. 항성들이 서로 후퇴하기 때문이다. 팽창하는 광막한 우주의 지극히 작은 한 점 지구 위에 사는 작은 존재인 듯한 인간이 우주만물의 존재법칙을 다룬다고 하는 것 자체가 편견의 양상이요 실태이다. 진리를 맛보지도 못하고서 진리를 향하는 행자(行者)가 진리를 논하는 것부터가 모순의 세계를 벗어나지는 못하겠지만, 그 모순과 편견으로 빚어진 지식체계가 인류의 복지와 문화형성에 가장 중요한 원동력이 된다고 하는 것은 무엇보다도 행복한 일이다.
