장하석의 「온도계의 철학: 측정 그리고 과학의 진보」

토대가 잘 다져진 믿음의 토대에는 토대가 없는 믿음이 놓여 있다.

루드비히 비트겐슈타인

 

 

우리는 너무나 자명한 사실들이 어떻게 진리로 굳어진 것인지를 잘 알지 못한다. 진리가 진리인 이유나 궤적에 대하여 알려고 하지 않고 그래서 의심할 생각도 하지 못한다. 경험의 영역에서 우리가 믿고 있는 대부분의 진리들은 한때는 분명 철학자였을 과학자들의 헌신에서 비롯된 것들이다.

많은 진리의 영역들이 있지만 장하석은 온도에 집중했다. 인간이 ‘온도’라는 손에 잡히지 않는 실체를 어떻게 측정하기 시작했는지, 어떠한 노력에 의하여 그 측정 방법이 더욱 정교해졌는지, 이론화의 노력은 어떻게 전개되었는지를 무수한 텍스트를 가로지르며 역사학적으로 꼼꼼하게 고찰한다. 하지만 거기에서 그치지 않는다. 저자는 과학철학자로서 그러한 인류의 노력들에 주석을 달았다. 그 노력에서 발견한 통찰들이 우리의 지식과 문화에 어떻게 기여할 수 있는지 의미를 부여했다. 혀를 내두를 만큼 집요한 역사학 고찰보다는 이 작업에 방점이 찍혀있다.

1장에서는 온도 측정의 시발점이라고 할 수 있는 고정점을 찾기 위한 노력이 이어진다. 끓는점 하나를 결정하는데 만해도 엄청난 시도와 실패들이 반복되었다. 물이 끓어서 증기로 바뀌는 현상을 설명하려는 논리도 제각각이었고 애써 증명하려고 해봤자 불명확한 전제들에 기대고 있는 허술한 것들뿐이었다. 그럼에도 표준적인 설명은 한 지점으로 모이게 마련이었는데, 표준은 엄정한 공식에 의하여 정당화되는 것이 아니라 ‘존중의 원리’에 바탕을 둔 끊임없는 반복과 자기교정, 즉 ‘인식적 반복’을 통해 정당화되었다.

2장에서는 합의된 고정점인 어는점과 끓는점 사이를 표준화된 척도로 측정할 수 있는 방안들이 모색되었다. 정교한 온도계가 없는 이상 0도와 100도 사이가 선형적으로 증가하는지 조차 합의를 이루지 못한 상태였다. 수은, 공기, 물 등 다양한 재료가 온도계의 후보로 거론되었지만 애초에 기준으로 쓸 온도계가 없는 상태에서 표준 온도계를 만든다는 것은 기둥 없이 건물을 올리는 것과 같은 순환의 문제로 귀착되었다. 표준화된 온도계의 해법은 ‘비교동등성’에 있었다. 최적의 답은 없지만, 그래도 최대한 상황을 통제해서 비교 실험을 해나가다 보면 한 가지 답에 이르게 되는데, 그것은 정답은 아니지만 그래도 가장 적절한 답은 보여주었다. 가끔은 이론보다 실제 실험실에서 무수히 부딪히는 시간이 훨씬 유용한 답을 주는 것이다.

3장에서는 기존 온도계로 도저히 측정이 불가능한 극저/극고 구간의 온도 측정이 화두가 되었다. 사람은 자신이 경험해 보지 못한 온도에서 어떤 일이 일어나는지에 대하여 상상조차 할 수 없다는 자명한 사실이 신선하게 다가왔다. 증명 불가능한 영역에서 도움이 되었던 것은 여러 연구자들의 상이한 접근방식이 응집된 ‘서로 받쳐주기’ 전략이었다. 이론적 공식에 시간을 허비하기 보다는 경험의 시간을 늘리는 것이 효과적이었다.

4장에서는 온도라는 불명확한 대상에 대한 이론화가 쟁점이 되었다. 냉을 온이 없는 상태로 볼 것인지, 냉도 (+) 부호를 갖는 일종의 성질인지조차 의견이 엇갈렸다. 이론-조작화-경험의 관계 속에서 상응성을 발견하는 것이 매우 중요한데 여기서도 역시 해법은 ‘인식적 반복’에 있었다.

이어진 5장과 6장은 연구의 결과물을 최종적으로 정리한 내용과 과학철학의 정체성에 대한 저자의 입장이다.

 

비판은 모든 합리적인 사유의 생명줄이다.

칼 포퍼

 

저자는 과학사와 과학철학을 ‘상보적 과학’으로 규정하며 자신의 학문적 지위를 정당화하고 있다. 상보적 과학이 우리가 알고 있는 ‘진짜 과학자’들이 생각하지 못하는 영역에서 새로운 통찰을 끄집어내거나 사장되었던 지식을 살림으로써 인류의 진보를 촉진할 수 있다는 것이다. 역사에 대한 집요한 관찰 속에서 현재를 살아가는 우리에게 철학적 교훈을 안겨주려 한다는 점에서 그의 작업은 사회를 바라보는 푸코의 관점을 연상케 했다. 하지만 그의 철학은 푸코의 그것처럼 인간의 본성에 대한 불신의 토대 위에 올라가 있지 않다. 장하석은 인간이 진보를 향해 나아가는 노정에서 최대한 ‘좋았던 것’들을 끄집어내기 위해 노력하며 이상적인 가이드라인으로 포장하여 우리도 그 과정에 참여할 수 있도록 독려하고 있다.

그가 역사의 사례 속에서 발견하는 교훈들은 다소 작위적인 면이 없지 않지만 경험과 이론의 세계에 놓인 다리를 발견하게 해준다는 점에서 의미가 있다. 그래서 학문의 입문자들에게 진리의 발견에 대한 희망을 품도록 도와줄 수 있을 것 같다. 근거가 없는 곳에서 새로운 진리의 깃발을 세워야 할 때 여기서 얻은 진리들을 되새긴다면 ‘상호텍스트성’의 끝없는 순환이 주는 공포를 어느 정도는 극복할 수 있을 것이다. 

독자로서, 과학적 지식이 풍부하다면 훨씬 재미있겠지만 없더라도 크게 낙심할 필요는 없다. 어차피 구체적인 과학적 발견과 원리들보다는 거기서 저자가 뽑아낸 통찰이 훨씬 중요한 책이기 때문이다. 또한 저자의 설명은 상당히 박진감이 있는 편이어서, 과학적 원리들을 이해하려고 애쓰다보면 뇌에서 경련이 일어날 것 같은 의외의 지적 즐거움도 찾을 수 있다.

어쨌든 이 책이 과학‘철학’책이라는 것을 잊어서는 안 된다.

 

검증할 수 없는 존재론적 원리를 따르고 싶은 욕구와 검증할 수 있지만 검증되지 않은 경험적 가설에 의지하는 안주 사이의 차이는 주목해야 한다. 186

 

 

---

학습노트

1장

끓는점은 끓는 물의 증기에서 관찰되는 온도이지 물이 끓기 위한 조건이 아니다. 끓음을 촉발하는 것이 공기인지 고체인지는 모르겠지만 어쨌든 물속의 공기가 증기로 바뀌는 시점은 물이 생성하는 증기의 압력이 외부 공기의 압력을 극복하고 밖으로 나올 수 있는 시점이다. 이것이 ‘압력-균형 끓음 이론’이다.

하지만 에이트킨은 이 압력-균형 끓음 이론의 애매성을 알고 있었다. 일반적인 상태에서 액체의 상태 변화는 자유 표면 하에서 성립된다. 자유 표면이 없다면 액체의 상태 변화를 위한 온도는 지금 우리가 알고 있는 것과 전혀 달라질 것이다. 하지만 당대에는 자유 표면이 없는 상태를 전제하지도, 구현하지도 못했다. 에이트킨은 물의 상태 변화에 있어서 먼지와 같은 접촉되는 물질의 영향을 어렴풋이나마 알고 있었다.

표준은 증명으로 정당화되는 것이 아니라 ‘존중의 원리’에 바탕을 두고 있다. 그리고 앞선 표준에서 나중 표준으로의 변화를 이끈 긍정적인 동인은 ‘진보하라는 정언명령’이다. 반복하는 과정은 스스로를 교정하며 바른 추론으로 나아간다. 이것이 인식적 반복이다. 이런 경험과학적인 강건성은 상위의 이론적 합의가 없거나 바뀌더라도 견고하다.

 

2장

어는점과 끓는점 사이의 온도를 일정하게 측정하기 위하여 100도의 물과 0도의 물을 섞어 실제 온도를 추정하는 혼합법이 제안되었지만 칼로릭 이론이 등장하며 혼합법의 전제들도 거부되기 시작했다. 그로 인해 수은 보다는 공기의 부피변화가 실제 온도를 더 정확하게 반영한다고 간주되었다. 하지만 공기의 부피변화가 선형적인지에 대한 논쟁은 계속 제기되었다. 이 문제를 해결하기 위하여 많은 이론이 제기되었지만 이 이론들은 또 다른 확인할 수 없는 전제들에 기대고 있었다.

르뇨는 ‘비교동등성’을 가져와서 이런 불분명한 전제들을 간단히 피해버렸다. 그는 이론들을 차치하고 순전히 경험적인 실험으로 공기가 가장 비교동등성이 높다는 것을 발견했다. 하지만 그 결론이 불완전하다는 것도 잘 알고 있었다.

관찰가능성은 성취물이다. 관찰은 감각에서 나오는 신뢰할만한 결정이다.

비교동등성은 이론이 아닌 ‘단일값의 원리’에 빚을 지고 있는데, 이 원리는 논리가 아닌 물리 세계에 대한 우리의 기본 인식이다. 이것은 ‘존재론적 원리’의 으뜸 사례이다. 르뇨가 성공을 거둔 것은 오직 존재론적 원리에만 의거하여 부수적인 비관찰적 가설에 의존하지 않고 ‘최소주의적 중첩결정’을 이루었다는 점이다. 현상론자들이 반형이상학적이라면, 르뇨는 반이론적이다.

 

3장

기존의 어떠한 온도계로도 측정될 수 없는 극한의 저/고온을 측정하는 것은 또 다른 미지의 세계나 마찬가지였다. 그러한 온도를 경험해 보지 못한 사람들의 이해 수준은 그야말로 무에 가까웠다. 수은이 언다는 사실을 발견하고 그 온도가 영하 40도 부근이라는 합의가 모이는데 100년의 시간이 걸렸다. 초고온 분야에서는 웨지우드가 독자적인 계측 체계를 만들어 화씨 체계와 결합하였지만 이내 여러 반대에 부딪혔다.

브리지먼은 의미의 토대에 늘 측정을 두었고 이는 조작적 분석, 내지는 조작주의로 널리 받아들여졌다. 익숙한 조작을 새로운 영역에 적용하려는 상황에서, 증명 불가능한 이론적 공식에 시간을 허비해서는 안 된다. 그런 공식이 정설이 되어 버릴때 경험적으로 증명할 수 있는 가능성은 오히려 제한된다. 쉽게 말해서 조작주의는 개념을 확장하되 최초의 개념/전제를 제대로 설정해서 경험적 내용을 늘리자는 것이다. 미지의 영역에서 미흡한 표준을 둘러싼 상이한 접근 방식들은 ‘서로 받쳐주기’라는 이점이 있다. 완벽해지기 전까지는 복수성을 인정하면서 예기치 못한 연계성과 발전을 기대할 수 있다. “서로 받쳐주기는 패배주의자들의 타협이 아니라 발전의 역동적 전략이다.”

 

4장

온도의 개념이 무엇인지 논의되기도 전에 측정 기법이 발달하였다. 냉도 열과 마찬가지로 + 부호를 갖는 무언가라는 관념도 제기되었으나, 이러한 주장은 이내 사그라졌다. 온도의 이론화/개념화에서는 칼로릭 이론이 지배적이었고 동력학 이론도 일부 주장되었다. 톰슨은 카르노의 증기기관 이론을 발전시켜 절대온도 개념을 재정의 했는데, 이는 특정한 기준 온도를 의미하는 것이 아니고 어느 온도든 간에 하나의 공식에 대입하여 설명할 수 있는 이론이었다. 이것은 온도를 흡수 및 방출되는 열의 양(운동량)으로 계산하는 것이다. 그의 노력은 부피와 압력의 공식으로 절대온도를 산출해내는 공식으로 이어졌고, 실제의 공기 온도계와 수치비교를 통해 정당성을 확인하였다.

이처럼 이론의 조작화는 실제로 관찰 가능한 경험의 세계와 본원적인 이론 사이를 이어주는 유용한 역할을 한다. 하지만 대체로 조작화는 모호한 근거에 뿌리를 내리고 있는데, 온도에서는 압력과 부피가 그것이다. 압력이 온도보다 쉽고 간단하고 정확하게 측정 가능하다는 근거는 어디에도 없다. 절대온도 계산에 성공한 톰슨 본인도 자신이 사용한 수은 온도계의 부적절함을 잘 알고 있었다. 하지만 그는 절대온도 산출에 만족했고 수은 온도계는 하나의 참고일 뿐이었다는 식으로 정당화했다. 조작화의 타당성을 확인하기 위해서는 실제의 어떤 수치가 조작화에 들어맞을 것이라는 전제를 버려야 한다. 실재의 값은 조작화와 다른 개념이므로 이것으로 정당화를 시도해서는 안 된다. 오히려 이론-조작화-경험 간의 상응성이 중요하다. 조작화를 실재에 부합시키려는 시도는 인식적 반복을 통해 더욱 정교해질 수 있다. 결국 우리에게는 “추상화와 구체화라는 잘 정돈된 두 가지 과정”이 필요하다.

 

5장

정당화의 추구는 토대론 보다는 정합론으로 나아간다. 정합론의 잠재력은 정당화 보다 진보의 철학으로 받아들일 때 제대로 이해된다. 진보의 과정에서 인식적 반복은 무엇보다 중요하지만 이를 위해서는 전통의 존중과 다양성의 추구가 서로 균형을 이루어야 한다. 즉, “인식적 반복의 정합론적 방법은 다원적 전통주의”이다.

 

6장

이 연구는 과학사와 과학철학이 나아가야 할 상보적 과학이다. 과학의 토대인 자명한 듯 보이는 진리들을 존중하는 것은 옳지만, 그것에 얽매이는 것을 경계해야 하는 것도 옳다. 이는 딜레마처럼 보이지만 상보적 과학인 과사철을 통해 극복할 수 있다. 한때 철학은 모든 것을 포괄했으나, 불과 2세기만에 자연과학은 별개의 전문적 영역에 들어섰다. 철학은 타당한 것처럼 보이는 물음의 범위를 뛰어넘는 특성이 있다. 과학사도 마찬가지다. 새로운 진리가 발견되면 기존의 방법과 논증은 즉각 과학의 영역에서 배제되어 과학사의 영역으로 넘어간다. 그런 점에서 과학철학과 과학사는 겹침이 있다. 철학은 회의와 비판을, 역사는 잊혀진 것의 가치를 일깨우므로 과철사는 전문가적 과학을 돕는 ‘상보적 과학’이다. 상보적 과학은 의미 있지만 잊혀진 지식을 복원할 수 있고, 비판적 지각 수준을 높여주며, 새로운 발견을 촉진할 수 있다.

상보적 과사철은 과학에 관한 것이 아니며, 과학 자체의 목표와 연속적이다. 과학의 사회사와는 다르다.