자연과학은?
자연과학은 과학의 한 분야로써 사전적 의미로는 자연에서 일어나는 현상에 대한 이해를 조직화한 지식의 체계다. 또한 인간이 논리적이고 합리적인 방법으로 일반 원리를 추구해 나가는 과정과 그 과정에 의해 얻어진 지식과 그 체계를 말한다. 즉, 과학에서는 결과도 중요하지만 모든 발전과 마찬가지로 결과에 이르기 위한 과정의 발전이 매우 중요하다.
인류가 자연에 기반을 둔 생활은 한 것은 인류가 탄생하였을 때부터 이다. 도구를 만들어 사용하고, 불을 이용하였으며, 고대시대에 이르러서는 거대한 거축물들을 만들게 된다. 이 후 기계를 만드는 등 각종 기술들은 점차 시간을 두고 발전해왔다.
그리고 르네상스 시대에 이르러 과학적 방법을 이용한 접근이 시작된다.
아래는 갈릴레이 갈릴레오와 알베르트 아인슈타인이 자연과학에 대해 한 이야기 이다.
「갈릴레이 갈릴레오」는 다음과 같이 이야기 한다.
근대 정신의 요체는 무엇보다도 거대한 기계로서 자연을 바라보고, 자연은 수학적 언어로 기록되어 있다.
갈릴레오 갈릴레이는 과학의 발전 특히 천문학의 발전에 지대한 공헌을 한 사람이다.
「알베르트 아인슈타인」은 다음과 같이 자연과학에 대해 말한다.
자연과학은 수백 년 동안 세계 내의 지각할 수 있는 현상들을 서로 관통할 수 있게 결합시키려는 노력이었다. 과감하게 말하자면 과학은 모든 존재들의 개념을 파악하려는 과정에서 이들 개념에 대한 후속적인 재건을 시도하는 것이다."
이러한 세계관에서 출발한 자연과학은 데카르트의 과학적 방법론과 아지작 뉴턴이 운동법칙을 발견함으로써 현재와 같은 학문 체계를 이루게 된다. 즉 경험적인 실험, 경험적 발견을 통해 자연법칙을 발견하는 것이 과학의 특징으로 자리잡게 된다.
과학적 방법
과학적 방법은 실험을 통하여 어떠한 현상에 대한 증명을 하는 것을 기초로 하는 방법이다. 막연한 믿음에 의한 추측을 하거나 설명하는 것이 아니라 실험을 통한 증거와 이에 대한 논증을 통해 증명하는 방법이다. 이는 어떠한 현상에 대하여 연구를 진행함에 따라 새로운 사실을 발견해 나가고 기존의 지식들을 하나로 모을 때 사용한다. 즉 경험, 실험, 측정, 관찰에 근거한 증거를 사용하여 원리를 밝혀내는 과정이다.
간단하게 표현하자면 어떤 현상에 대한 결과를 실험을 통해 증명해 내는 방법이다.
과학적 방법을 옥스퍼스 사전에서는 아래와 같이 설명한다.
「옥스퍼드 영어사전」의 과학적 방법 설명
17세기 이후 자연과학에 의해 정형화된 계획적인 관찰, 측정, 실험, 일반화, 시험 및 가설의 변경 등의 과정으로 이루어진 방법
과학적 방법은 실험과 같은 경험에 의하여 귀납적인 결론을 이끌어 내게 된다. 그래서 과학적 방법에 의한 지식은 불변하는 진리가 아니고 언제나 반증되어 바뀔 수 있다. 새로운 연구결과가 나타나면 과거의 결과는 수정되거나 폐기될 수 있다는 말이다. 그렇기에 아인슈타인은 다음와 같이 말을 하기도 했다.
"아무리 많은 실험을 하더라도 내가 옳다고 단정할 수는 없다. 단 하나의 실험으로도 내가 틀렸다는 것이 드러날 수 있기 때문이다."
또 카를 구스타프 헴펠은 과학적 방법은 귀납에 의하기 때문에 그에 따른 결론은 통계적인 것이며 가설을 보강하기 위해 베이즈정리에 따른 분석이 필요함을 이야기 한다.
여기서 베이즈정리는 두 확률 변수의 사전확률과 사후확률 사이의 관계를 나타내는 정리이다.
이밖에 루트비그 플렉을 비롯한 과학자들은 과학자의 경험 자체가 편향될 수 있기 때문에 보다 신중하게 접근해야 한다는 점을 지적하기도 했다.
F. N. 컬린더는 아래와 같이 과학정 방법에 대한 특징을 정리했다.
- 문제의 해결은 상식적 접근보다 논리적 접근을 통해 이루어진다.
- 이론이나 가설은 체계적이고 경험적으로 검증된다.
- 체계적이고 표준화된 관찰이나 실험은 통제를 통하여 이루어진다.
- 사상들의 체계나 상호관계가 객관성 있고 타당성 있게 설명된다.
- 연구자들의 문제에 대한 관심의 정도에 따라 과학적 방법의 의미가 달라질 수 있다.
자연과학에서는 연구분야에 따라 다양한 과학적 방법이 사용되는데 그 일반적인 순서는 다음과 같다.
1. 문제정의
2. 정보와 자료 수집(관찰)
자연현상을 조사, 기록, 관찰된 현상이 어떠한 이유로 인해 생겨난 것인지 알아내는데 목적이 있다. 여기에는 온도 변화의 측정, 물질 성분의 분석 등이 있다.
3. 가설 세우기
관찰한 현상의 원인에 대한 추측, 논증과 증거로 증명되기 전 가설은 직관적이며 실험적이기 때문에 과학적 지식이 아니다. 과학적 방법은 경험을 근거로 판단하기에 언제든지 반론이 나올 수 있다. 널리 인정받고 있는 과학적 지식도 반론이 나타나면 폐기되거나 수정될 수 있기에 모든 자연과학의 법칙은 가설이라고 할 수 있다.
4. 가설예상
가설에 따라 자현현상을 예측한다.
5. 실험
적절한 통제에 따라 관찰하고자 하는 현상을 단순화하고 예상한 바와 같이 진행되는지를 측정하고 기록, 연구를 진행한다. 연구하는 종류에 따라 다양한 실험방법이 존재한다.
6. 증명
실험의 결과를 놓고 가설에 따른 예상이 맞는지를 논증하는 과정이다. 실험군과 대조군의 비교를 통해 가설의 옳고 그름을 가린다.
7. 일반화
실험과 증명의 과정을 거쳐 논증된 가설이 검토되어 일반적인 사실이라고 인정되는 것이다. 이렇게 인정된 과학적 지식은 자연과학법칙으로 불리게 된다.
이러한 과학적 방법을 통하여 고대, 중세, 근대, 현대를 거쳐 과학은 꾸준히 발전되어 왔고, 발전의 속도는 더욱 가속화 되어가고 있다. 그리고 매우 세분화되어 보다 전문적인 하위 학문들을 구성해나가고 있다. 이러한 속도는 미래에는 현재보다도 더욱 가속화되어 발전될 것이고 분야 또한 더욱 세분화 될 것이다.
이상 간략하게 자연과학과 과학적방법에 대하여 알아봤다.