[ Ronald N. Giere, John Bickle, and Robert Mauldin (2005), Understanding Scientific Reasoning, 5th Edition (Cengage Learning)
Ronald N. Giere 외, 『과학적 추론의 이해』 [제5판], 조인래・이영의・남현 옮김 (소화, 2008), 38-115쪽. ]
2.1. 이중나선: 사례 연구
2.2. 과학의 일화에 대한 이해
2.3. 모형과 이론
2.4. 실세계로부터의 자료
2.5. 모형으로부터의 예측
2.6. 과학적 일화의 구성 요소
2.7. 이론적 가설의 평가
2.8. 이론적 가설의 평가를 위한 프로그램
2.9. 왜 그 프로그램은 효과적인가
2.10. 프로그램이 작동하는 방식: 세 가지 예
2.11. 결정적 실험
2.12. 모형 개발
2.1. 이중나선: 사례 연구
■ 유전물질 DNA(디옥시리보핵산)의 이중 나선 구조 발견(1953)
- 1951년 당시 알려진 사실들
• DNA 분자는 뉴클레오티드 사슬로 구성되고, 뉴클레오티드는 당 분자, 인산 분자, 염기로 구성됨.
• 네 가지 염기 종류: 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민
• 뉴클레오티드 사실은 중추(당, 인산)가 염기를 지탱하는 구조를 가짐.
- 왓슨과 크릭의 과제: DNA의 3차원 공간 입체 구조를 밝히는 것
• 당시 물리화학자 라이너스 폴링은 X선 사진에서 얻은 정보를 통해 단백질 분자 α-케로틴의 구조가 나선 구조임을 밝힌 상황
■ 이중 사슬 모형의 제안과 성공
- 삼중 사슬 모형에서 이중 사슬 모형으로
• 왓슨과 크릭은 로잘린드 프랭클린의 DNA X선 사진 자료들을 확인
• DNA 분자의 가능한 나선 구조를 파악, 염기를 중추 바깥에 배열
→ 삼중 사슬 모형은 DNA 분자가 결합하는 물 분자보다 적은 분자를 허용함.
• 서로 다른 염기들을 결합함으로써 지름이 일정한 나선형 구조를 수립함
- 이중 사슬 모형의 수용
• 금속 조각판들을 이용하여 DNA 모형을 완성
• 기존의 X선 자료들과의 일치, 1953년 네이처지에 논문을 발표함
2.2. 과학의 일화에 대한 이해
- 과학의 일화들이 지니는 일반적인 특징들이 있음.
■ 과학의 인간적 맥락
- 명예욕에 불타는 왓슨, 수다쟁이 크릭 등 과학자 개인의 인간적 특징
■ 세계가 작동하는 방식에 대한 탐구
- 과학 제도에서 과학자들은 ‘세계가 작동하는 방식’을 탐구함
■ 문제의 발견
- 세계의 특정 측면에 초점을 맞춰 연구 과제로 설정
■ 모형의 구성
- 세계의 특정 측면에 들어맞는 모형을 구성
- 왓슨과 크릭의 경우, 유전물질의 3차원 구조에 들어맞는 모형을 구성
■ 모형의 적합성에 대한 결정
- 실험 결과
■ 다른 과학자들 설득하기
■ 말의 확산
2.3. 모형과 이론
- 모형의 유형이나 용도를 적어도 세 가지는 기억해야 함.
■ 스케일 모형: 원래 사물보다 더 크거나 작은 비율로 만든 모형
- 모형 비행기, 자동차 모형, 왓슨과 크릭의 DNA 모형 등
■ 유사체 모형: 실제 대상과의 유사성을 토대로 만든 모형
- DNA 구조에 대한 이중나선 모형, 원자의 태양계 구조 모형 등
- 모형을 제안하거나 이해할 때 중요하지만 평가할 때는 유용성이 줄어듦.
■ 이론적 모형: 과학적 탐구에서 가장 일반적인 모형
- 지도의 비유: 구조적 유사성+사회적 규약+선택된 특징들(불완전성)
- 상상된 세계의 일부로서, 스케일 모형과 구조적 유사성을 가짐
- 이론적 가설: 이론적 모형과 세계의 한 측면 사이의 관계에 대한 진술
- 이론의 가설의 참/거짓 여부에 따라 모형이 세계에 들어맞는지 여부가 결정됨.
- 이론적 가설이 참이다 → 이론적 모형이 세계와 잘 들어맞는다.
- 이론적 가설이 거짓이다 → 이론적 모형이 세계와 잘 들어맞지 않는다.
■ 이론: 모형들과 가설들의 집합
- 모형군(family of models): 스케일 모형, 이론적 모형 등
- 이론적 가설들: 세계와 모형 사이의 관계에 대한 진술들
2.4. 실세계로부터의 자료
- 자료: 모형의 적합성을 결정하는 정보
- 자료가 되기 위한 조건
- 조사대상인 실세계의 부분과의 ‘물리적 상호작용’을 통해 얻어야 함
• 예) 능동적 상호작용(실험), 수동적 상호작용(성운의 고주파 신호 측정)
- 유관한 차이들이 ‘믿을 만하게’ 탐지될 수 있어야 함
• 구별 가능한 결과들을 산출하기 위해 정교한 실험기구들이 사용됨
- 모형 고안에 기여하는 자료는 적합성 결정에 관여하지 못함
• 예) 단백질 구조의 나선 형태, DNA의 밀도 측정 결과 등
2.5. 모형으로부터의 예측
- 예측을 자료와 비교함으로써 모형의 적합성 평가
- 모형으로부터의 추론
• 만약 모형이 실세계와 들어맞는다면 어떤 자료가 나올 것인가?
- 추론에 필요한 도구들
• 이론적 모형에서 이론적 가설을 도출할 수 있는 추론 규칙들
• 이론적 가설이 실세계로부터의 자료와 연관될 수 있도록 해주는 실험 장치에 대한 잘 입증된 이해, 설명, 기술
2.6. 과학적 일화의 구성 요소
- 과학적 일화를 구성하는 네 가지 요소들
• 조사 중인 ‘실세계’의 대상이나 과정
• 실세계의 대상이나 과정에 대한 ‘모형’
• 실세계로부터의 자료에 대한, 모형과 실험장치로부터의 ‘예측’
• 실세계 사이의 여러 종류의 상호작용을 통해 생성되는 ‘자료’
2.7. 이론적 가설의 평가
- 전략: 자료와 예측 사이의 일치/불일치를 통해 평가
■ 자료와 예측이 일치하지 않을 때
- 예) 삼중 사슬 모형에 근거한 DNA 분자의 물 수용량은 측정치의 1/24
• 이론적 가설이 거짓이라는 좋은 증거가 있다고 결론 내릴 수 있음
• 왜 거짓이라고 확정하지 않는가? 자료나 예측이 잘못될 가능성이 존재
■ 자료와 예측이 일치할 때
- 그 가설이 거짓일 경우 일치가 일어날 가능성이 희박할 때 가치 있음
- 예) 이중 사슬 모형에 근거한 DNA 분자의 물 수용량과 측정치의 일치
• 자료와 예측을 일치하게 하는 다른 모형들 중 더 그럴듯할 때 가치가 있다.
• 이론적 가설이 참이라고 생각할 좋은 증거가 있다고 결론내릴 수 있음.
2.8. 이론적 가설의 평가를 위한 프로그램
■ 6단계 프로그램
- 1단계: 실세계
• 연구의 초점이 놓인 실세계의 측면, 대부분 일상적 용어로 기술 가능한 세계 속의 사물이나 과정
- 2단계: 모형
• 실세계와 들어맞도록 고안된 이론적 모형, 과학적 용어 및 도표 사용
- 3단계: 예측
• 모형과 실험 장치를 바탕으로, 모형이 잘 맞을 경우 산출하는 자료
- 4단계: 자료
• 실세계의 연구 대상들에 대한 관찰이나 실험에서 실제로 확보된 자료
- 5단계: 부정적 증거
• 모형이 실세계와 들어맞지 않음
- 6단계: 긍정적 증거?
• 모형이 실세계와 들어맞음
2.9. 왜 그 프로그램은 효과적인가
- 앞서 제시된 프로그램을 사용해야 하는 이유는, 그 프로그램을 따를 경우 올바른 결론에 도달할 확률이 높기 때문임.
- 세 가지 가능성
• 가능성(1): 모형이 세계에 들어맞지 않는다는 증거를 자료가 제공할 수 있음.
• 가능성(2): 모형이 세계에 들어맞는다는 증거를 자료가 제공할 수 있음.
• 가능성(3): 모형이 세계에 들어맞는지에 대해 자료가 비-결정적일 수 있음.
■ (1)의 경우
모형이 세계와 들어맞지 않는다는 증거를 제공
예측은 모형에서 도출되므로, 모형과 예측의 유관성이 성립함.
자료는 실세계에서 도출되므로, 실세계와 자료의 유관성이 성립함.
자료와 예측의 불일치를 통해 세계와 모형의 불일치를 추론
■ (2)의 경우
동일한 예측을 산출할 수 있는 다른 모형이 없다고 판단될 경우
모형이 세계와 들어맞는다는 증거를 제공
■ (3)의 경우
동일한 예측을 산출할 수 있는 다른 모형이 있다고 판단될 경우
모형이 세계와 들어맞는지에 대해 비결정적임
2.10. 프로그램이 작동하는 방식: 세 가지 예
■ 부정적 증거의 경우
- 유전자 분석에 의해 바다거북 이론이 뒤집히다
• 모형: 4천만년 전부터 바다거북은 브라질 연안과 어센션 아일랜드 사이를 이동했고, 그동안 대서양 해저 확장으로 둘 사이의 거리가 늘어남
• 예측: 바다거북 개체군의 나이는 약 4천만 년
• 자료에 따르면, 바다거북 개체군의 나이는 4만 년이며, 이는 예측과 불일치
■ 긍정적 증거의 경우
- 정신에 대한 새로운 견해가 무의식의 역할 확장을 담당하다
• 모형: 정신이 ‘의식적인 정신이 알아차리지 못하는 것을 지각하고 기억하는’ 무의식적인 요소를 가짐.
• 예측: 의식적으로는 식별할 수 없는 단어들을 무의식적으로 지각하고 기억할 수 있을 것임.
• 자료에 따르면 피실험자들은 90%의 확률로 단어를 정확히 추측했음.
- 그것은 온실효과인가? 답은 당신의 이론에 달려있다.
• 모형(1): 대기 중의 이산화탄소는 대기가 열을 가두는 효율을 높인다.
• 모형(2): 로렌츠 모형(대기와 해양 사이의 상호작용을 토대로 함)
• 모형(1)과 모형(2) 모두 1980년대의 이상고온 유형을 예측!
2.11. 결정적 실험
- 결정적 실험(crucial experiments)은 두 경쟁 모형 가운데에서 하나를 분명히 선택할 수 있게 해주는 실험
■ 결정적 실험의 구조
- 모형 M1이 옳을 경우
• R1에 속하는 기록을 산출할 가능성이 매우 높고 R2는 거의 없음
- 모형 M2이 옳을 경우
• R2에 속하는 기록을 산출할 가능성이 매우 높고 R1는 거의 없음
• 자료가 R1에 속하느냐 R2에 속하느냐에 따라 M1 또는 M2 결정
• 자료가 R1과 R2에 속하지 않는 경우 결정적 실험이 성립하지 않음
■ 결정적 실험의 사례: 박테리아 돌연변이 발생 메커니즘
- 모형(1): 인과 모형
• 박테리아를 공격하는 파지 바이러스가 박테리아의 유전자에 작용하여 돌연변이를 일으킴
• 예측: 바이러스를 투입한 배양에서 대략 같은 수의 돌연변이 발생
- 모형(2): 우연 모형
• 박테리아 유전자 돌연변이는 파지 바이러스와 무관하게 우연히 발생
• 예측: 배양에 따라 돌연변이 박테리아 수가 편차를 보임
- 자료에 의한 모형 선택: 우연 모형
• 자료: 배양에 따라 박테리아 수가 편차를 보이며, 이는 모형(2)를 지지함.
2.12. 모형 개발
- 모형 개발: 성공적인 모형을 실험 결과로부터 구하는 방법
- 전제: 세계와 잘 들어맞는다고 간주되는 옛 모형이 존재
• 옛 모형은 세계의 다양한 현상들을 대략 잘 설명한다.
• 옛 모형의 예측과는 일치하지 않는 새로운 실험 자료가 산출된다.
- 방법: 옛 모형의 부정적 실험 자료를 설명하는 새 모형 개발
• 옛 모형의 핵심을 유지하고 주변 가설의 수정을 통해 새 모형을 구축함.
• 새 모형에 특수한 예측을 도출, 이를 실세계로부터의 자료와 비교
- 모형 개발의 예: 지구상의 생명체 등장 시기의 조절
• 옛 모형: 지구가 식는 데 약 7억년 소요(지구 나이 45억년)
• 실험 자료: 약 44억년 전에도 온도가 낮았다.(지르콘 조각)
• 새 모형: 지구가 식는 데 약 1억년 소요
(2021.12.17.)
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