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[뉴스엑스포_산업 오피니언] 현대과학 이론 ‘완성도 높지만 맹신은 금물’-과학 이론은 절대 불변의 진리가 아니다.
  • 염정민 산업부 차장
  • 승인 2018.05.21 09:51
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▲ 그래픽_뉴스엑스포 그래픽 팀 / 팀장 이진영

[뉴스엑스포_산업 오피니언] 수천 대의 드론이 집단 비행을 하고, 운전자 없는 자율주행차가 도로를 활보하는 현대 산업 사회의 과학 기술은 경이 그 자체라고 할 수 있다. 수 세기 전 마차를 끌고, 바람의 힘에 의지하여 배를 움직이던 시대와 비교하면 그 놀라움은 더 커질 수밖에 없다.

이런 배경에서 현대 과학 기술에 대한 신뢰도가 높아지는 현상은 지극히 자연스러운 일이지만, 이런 현상이 더 나아가 현대 과학을 무결점의 진리처럼 인식하는 것은 과학의 가치를 지나치게 과대평가하는 것이라고 감히 말할 수 있다.

과학은 진리가 아니라 진리를 탐구하는 과정에 가깝다. 이는 화학 시간에 배우는 ‘원자모형’의 예에서 분명하게 알 수 있는데, 원자모형은 톰슨 모형, 러더퍼드 모형, 보어 모형 순으로 발전했다.

톰슨은 실험을 통해 원자 내부의 전자가 음(-)전하를 띠고 있다는 사실을 알아내고는, 원자의 전기적 성질은 중성이므로 같은 수의 양(+)전하가 있을 것이라는 결론을 내렸다. 그는 이 결론을 토대로 원자는 초코칩 쿠키에 초코칩이 박혀 있는 것처럼 같은 수의 음전하와 양전하가 어느 한 곳에 집중되지 않고 퍼져 있는 원자모형을 발표했다.

단순히 음전하를 띤 전자의 존재만이 판별된 과학 수준에서는 톰슨의 원자 모형은 반론의 여지가 없는 듯 보였지만, 이후 가이거와 마스든의 ‘알파 입자 산란 실험’으로 인해 톰슨 모형은 강력한 도전을 받게 된다.

알파 입자 산란 실험은 양(+)전하를 가진 알파 입자를 얇은 금박에 쏜 후 알파 입자의 궤도를 측정한 실험을 말하는데, 실험 결과 대부분의 알파 입자는 금박을 그대로 통과했지만 2만 개 중 1개 정도는 궤도를 급격하게 바꾸는 알파 입자를 검출할 수 있었다.

이 현상은 기존의 톰슨 모형으로는 설명하기 어렵다. 톰슨 모형처럼 양(+)전하가 원자 내부에 고르게 퍼져 있다면 알파 입자 궤도가 미세하게 조정되거나 좀 더 많은 수의 알파 입자가 산란되어야 했기 때문이다.

결국 이후 실험 결과를 고려하여 톰슨 모형을 수정한 러더퍼드 원자모형이 학계에 발표되었다. 러더퍼드 모형은 양(+)전하가 원자 내부에 퍼져 있는 것이 아니라 현재 ‘원자핵’이라고 부르는 원자 중심부에 집중되어 있다는 것을 핵심으로 한다. 러더퍼드 모형은 양(+)전하가 집중적으로 분포된 곳이 있다면 알파 입자의 대부분은 양(+)전하의 영향을 받지 않지만 아주 적은 확률로 급격한 궤도 변경을 하는 알파 입자가 존재할 수 있기 때문에 ‘알파 입자 산란’ 실험 결과와 모순되는 점이 없었다.

이에 학계는 톰슨 모형을 버리고 러더퍼드 모형을 지지하게 되지만, 러더퍼드 모형 또한 불안정한 모형이며 분광분석법을 통해 나오는 불연속 스펙트럼을 설명할 수 없는 한계가 있었다.

원자 내부의 전자가 원자핵 근처로 가까이 가려면 빛의 형태로 에너지를 방출해야 하는데, 이 에너지가 0, 0.1, 0.2, ......., 1 과 같이 연속적으로 변하는 것이 아니라 0에서 10으로 갑자기 변하듯이 불연속적으로 변하는 실험 결과가 나온 것이다.

이는 원자 내부의 중심부에 양(+)전하가 집중되어 있다는 러더퍼드 모형으로는 설명하기 어려웠다. 러더퍼드는 원자 외곽에 전자가 있다는 모형을 세웠지만 아무런 제한 조건이 없어 원자가 내어 놓는 불연속적인 빛 에너지를 설명하지 못하기 때문이다.

이에 보어의 원자 모형이 나오게 되는데 보어는 이 불연속 스펙트럼 문제를 ‘궤도’라는 개념을 설정하여 해결했다. 전자는 원자 내부에서 자유롭게 존재할 수 있는 것이 아니라 태양계에서 태양의 주위를 도는 행성들처럼 일정한 궤도를 갖고 움직이는 것으로 이 문제를 해결한 것이었다. 즉 원자 내부에는 에너지 준위가 다른 여러 개의 궤도가 있고 전자는 이 궤도상에서만 존재할 수 있다고 가정하여 불연속 에너지 스펙트럼을 설명한 것이다.

원자 모형에 있어서 수많은 수정을 겪으면서도 현대 과학은 원자 구조, 원자 모형에 대해 정답이 무엇이라고 내어놓지 못하고 있다. 슈뢰딩거의 파동함수, 양자 물리 등등 많은 대안을 내어 놓고 있지만 모든 현상을 관통하는 원자 이론은 아직 등장하지 않고 있다.

이는 물리학도 마찬가지다. 뉴턴 역학으로 대표되는 고전 역학은 아인슈타인의 상대성 이론, 중력장 이론으로 수정되었으며, 이마저도 양자 역학에 의해서 거센 도전을 받는 등 학계의 거장이라고 인정받고 있던 사람들의 이론조차도 수정과 개선을 거듭하고 있는 상황이다. 생명과학, 지구과학 등의 다른 분야로 눈을 돌려도 이런 현상은 쉽게 목격이 된다.

즉 현대 과학 이론이 현재 과학으로 관찰할 수 있는 수준에서는 실제 생활을 잘 설명할 수 있을 정도로 완성도가 높지만, 새로운 실험 결과에 의해서 계속 수정되고 있기 때문에 절대 불변의 진리로 해석하는 것은 무리라고 볼 수 있다. 

앞서 본 바와 같이 과학 이론은 시간이 흐름에 따라 변하기도 하지만, 실험 모델을 어떻게 세우는가, 어떻게 해석하는 가에 따라서도 실험 결과는 확연히 달라질 수 있다. 그만큼 과학은 완성된 진리가 아니며 불완전한 특성을 가지고 있다.

이런 사실을 근거로 과학에 대한 신뢰성 자체를 부정하여 감에 의존하는 주먹구구식 생활을 영위하자고 주장하는 것은 분명히 아니다. 뉴턴 역학, 아인슈타인의 상대성 이론 등등 기라성 같은 과학 이론들마저 새로운 이론들에 의해서 위협을 받고 있지만, 빛의 속도에 근접하기 어려운 일상생활에서는 반론이 어려울 정도로 뉴턴 역학은 정확도를 가지고 있고 이에 근거한 공학 기술도 충분한 신뢰도를 가지고 있는 것은 분명하기 때문이다.

다만 과학에 대한 신뢰가 강해서 절대 진리처럼 취급하면, 과거 여러 종교에서 그러했듯이 과학 이론은 배타성을 지닐 수밖에 없게 된다. 작게는 토론 현장에서 반대하는 사람의 의견을 무시하는 것부터 시작해서 크게는 과학 이론에 반대하거나 위험성을 제기하는 의견 자체를 봉쇄할 위험성까지 있다.

현대 과학은 높은 신뢰를 받을 만큼 이론적 완성도가 높다고 보지만 과학을 맹신하여 배타적으로 흐를 수 있는 위험성은 스스로 조심해야 할 필요가 있다.

염정민 산업부 차장  news@newsexpo.co.kr

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