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[부일논술 통합논술 넘어서기] <54> 과학사를 통한 근대과학의 이해
주어진 자료서 근대과학 개념을 읽어라
/ 윤환영 부산종로학원 강사

'부일논술'은 달라진 출제 경향에 맞춰 논제를 출제하고,해설을 덧붙여 통합교과형 논술의 길라잡이 역할을 하고자 합니다. 개금고 서진관,부산남고 이성건,부산사대부고 반태훈,부산진고 김정훈,성일여고 김덕곤,양운고 박경원,해강고 김태진 선생님 등 일선 고교 논술지도 교사와 부산종로학원 수리·과학논술팀이 함께 합니다. 본란에 많은 관심 부탁드립니다.

문제 및 제시문

1.

아래 제시문에서 아리스토텔레스가 바라본 운동에 대한 견해는 근대 과학의 그것과는 사뭇 다르다. 이것을 토대로 뉴턴의 운동법칙을 이해하려고 한다. 다음의 질문에 답하시오.

1 자연스러운 운동과 비자연스러운 운동의 구분으로 아리스토텔레스와 뉴턴을 비교하시오.(300~400자)
2 운동 원인에 대한 견해에 대해 아리스토텔레스와 뉴턴을 비교하시오.(400~500자)

아리스토텔레스 역학은 그의 Physica를 비롯한 몇몇 저술들에 단편적으로 나타나 있는 '운동'에 대한 언급과 생각들을 바탕으로 고대와 중세를 통해 아리스토텔레스 해석자들이 발전시킨 체계이다. 먼저 아리스토텔레스는 운동을 '자연스러운 운동(natural motion)'과 그렇지 않은 '비자연적 운동(violent motion)'으로 나누어 생각했다. 우선 그는 무거운 물체가 우주의 중심인 지구 중심을 향해 내려가고 가벼운 물체가 위로 올라가는 운동을 자연스러운 운동이라고 했다. 그리고 아리스토텔레스는 이 두 가지 직선운동 외에 천체의 원운동을 포함시켜서 세 가지 자연스러운 운동을 이야기했다. 이 운동들은 모두 물체 본연의 성질 때문에 생기는 운동들인 것이다. 반면, 이렇게 자연스러운 운동이 아닌 모든 운동-예를 들어 수레를 밀어서 움직이거나 돌을 던지는 것과 같은 운동-은 비자연적 운동이었는데 비자연적 운동은 반드시 외부로부터 '운동 원인(mover)'의 작용이 있어야 했다. 외부로부터 운동 원인의 작용이 멈추면 그 물체의 운동은 중지되어야 했던 것이다. 또 이 운동 원인은 반드시 운동하는 물체에 접촉해서 작용해야만 했다.

운동 원인에 대한 이 같은 생각은 곧 문제를 불러일으켰다. 물체를 던졌을 때 그것이 손을 떠난 후에도 운동을 계속하는 현상이 제기하는 문제가 그것이었다. 물론 처음 던질 때는 사람의 손이 물체에 접촉해서 운동 원인으로 작용하지만, 일단 손을 떠난 후에도 계속하는 운동에 대한 원인이 무엇인가 하는 문제이다.

이에 대해 제시된 설명은 움직이는 물체가 통과해 가는 매질이 운동 원인으로 작용한다는 -물체가 처음 움직일 때 매질을 움직여서 그 움직임 때문에 매질이 다시 물체에 운동 원인으로 작용한다는- 모호한 설명이었다. 이 설명은 우리에게는 생소하고 모호할 뿐만 아니라 구차하게까지 보인다. 그러나 결국 그런 구차해 보이는 설명을 해야만 할 정도로 운동을 위해서는 운동하는 물체와 접촉해서 작용하는 외부의 '운동 원인'이 있어야 한다는 생각이 아리스토텔레스 역학에서는 강했다는 것을 보여주는 것이다.

2

다음 <제시문2>와 <표1>을 보고 쌍둥이의 경우 지능을 결정하는 것이 환경적 요인인지 유전적 요인인지 판단하고 여기에 대해서 논술하시오.(500~600자)

지능을 결정하는 것이 유전인가 환경인가에 대해서는 오랜 논란이 있어 왔다. 대개 가계조사와 쌍둥이 조사에서 지능이 유전한다는 근거가 추론됐다. 1937년에는 뉴먼과 프리먼, 홀징거의 연구가 있었고, 영국의 심리학자 버트 역시 지능과 관련해 쌍둥이 조사를 실시했다. 그는 1955년과 58년에 쌍둥이 연구 결과를 발표했고, 66년에는 '지능 차이에 있어서의 유전적 결정 - 동거, 별거시켜 자라난 일란성 쌍둥이의 연구'(표물)를 발표했다. 다음은 지능과 관련된 두 연구자의 결과를 도표로 만든 것이다.(*수치가 1에 가까울수록 유전성이 높다.)



1 출제의도

현대 과학 역시 역사적인 과정을 통해 형성됐다. 오늘날 교과서를 통해서 배우는 과학은 근대 과학이라는 형태로 과학 혁명기에 형성된 물리학과 천문학에서의 급격한 개념변화가 그 핵심이다. 과학이 어렵다고 느끼는 학생들을 위해서 과학 교육계에서 많은 시도를 하고 있는데, 그중에는 만인을 위한 과학(Science for All)이라는 형태와 이와 결부된 과학의 본성에 대한 교육이 있다. 전자는 실생활과 결부된 소재를 가지고 과학 개념의 이해를 목표로 하고 있으며, 후자는 과학사와 과학철학, 그리고 과학의 탐구방법을 위주로 사회에 나가서도 활용할 수 있는 분야의 교육에 주안점을 두고 있다.

이 문제들은 이러한 과학교육 분야의 경향을 반영하고 과학 혁명기 개념 변화의 실제 사례를 들어 근대 과학의 이해를 돕고자 하는 것이다. 또 자료 제시형 문항을 통해 스스로 통계자료를 근거로 판단할 수 있는 문제를 출제했다. 과학은 교과서에 있는 지식이 전부가 아니다. 과학의 대상은 자연이고 그 법칙을 알아내 우리의 삶에 구현하는 것이다.

2 논제 파악

1 과학의 개념 변화를 과학사 사례를 통해 이해하기 위한 문제를 출제해서 근대과학 개념에 대한 이해력을 높이고자 했다. 친근한 주제에서 출발해 기본개념에 대한 이해를 평가했다.

2 과학자들이 얻은 통계 자료를 학생들 스스로 판단할 수 있도록 해 자료해석능력을 측정하고자 했다.

3 제시문 분석

1 아리스토텔레스의 역학체계에 대한 제시문이다. 운동을 자연스러운 운동과 비자연적 운동으로 구분하고 있다. 자연스러운 운동은 상하 직선운동, 원운동이 있으며 비자연적 운동은 운동 원인이 접촉에 의해 작용해야 한다고 설명한다.

2 지능에 대한 연구들을 소개하고 있다. 지능에 영향을 주는 요인으로 환경과 유전이 어떤 관련성이 있는지 쌍둥이 조사를 통해서 알아보고자 했다.

4 해결 전략

1 운동을 자연스러운 운동과 비자연적 운동으로 구분하는 것은 근대 물리학의 개념을 이해하는 데 많은 도움이 된다. 근대 물리학에서는 이 양자의 구분을 힘으로 해석한다. 힘이 작용하면 비자연적 운동이고 힘이 작용하지 않으면 자연스러운 운동인 것이다. 이러한 개념을 잡기는 보통 어려운 것이 아니다. 다행히 과학의 발전 과정 중 아리스토텔레스의 운동 개념과 비교함으로써 이것이 가능하다. 뉴턴에서 출발하는 근대 물리학에서 힘이 작용하지 않으면 물체는 직선운동, 정확하게 말하면 등속직선운동이나 정지상태의 운동을 한다. 이것을 뉴턴은 관성이라는 개념을 도입해 해석했다. 이때 힘이 작용하게 되면 이러한 관성 운동이 가속도 운동을 하게 된다. 힘이라는 것이 가속도라는 물체의 현상을 이끌어내는 것이다. 가속도가 발생하는 운동에는 반드시 힘이 작용하는 것이고, 만약 명확한 힘이 작용하고 있음에도 그 물체가 등속직선운동을 하게 된다면 여기에는 반대 방향으로 같은 크기의 힘이 있다는 것을 알 수 있다.

2 여기서는 통계 자료의 해석이 중요하다. 특히 수치에 대한 해석이 문제 해결의 관건이 된다. 수치가 1에 가까울수록 유전성이 높다고 되어 있는데 이것은 유전에 의해 결정되는 경향이 크다는 것을 의미한다. 예를 들어 뉴먼의 연구 결과에서 일란성 쌍둥이가 같이 큰 경우의 지능과 관련된 수치는 0.922이고 따로 큰 경우 일반 성적은 0.507이다. 이를 통해 우리가 알 수 있는 것은 일란성 쌍둥이가 같이 큰 경우의 지능은 거의 유전에 의해 결정되는 것을, 일반 성적은 유전에 의해 결정되는 정도가 매우 낮은 것을 알 수 있다. 이와 같은 방법으로 문제를 해결하면 된다.

이때 고려해야 할 사항이 몇 가지 있다. 우선, 일란성 쌍둥이는 유전인자가 일치한다는 것이다. 둘째, 지능이 유전자에 의해 결정되는가를 알기 위해서는 일란성 쌍둥이와 이란성 쌍둥이가 함께 큰 경우를 비교해 보면 알 수 있다. 셋째, 지능이 환경에 의해 영향을 받는지 알아보려면 일란성 쌍둥이가 같이 큰 경우와 따로 큰 경우를 비교해 보면 된다. 따로 큰 경우의 상황을 보면 환경의 영향을 판단할 수 있기 때문이다. 이것은 보편적인 과학 실험에서 고려하는 통제집단과 실험집단의 구분이다. 이상의 몇 가지 해결 전략을 가지고 문제를 해결해 보도록 하자.

5 예시답안

1-1 아리스토텔레스는 무거운 물체와 가벼운 물체의 운동을 관찰하고 직선운동을 자연스럽다고 생각했다. 또 원을 완벽한 도형으로 생각하고 완벽한 천체는 자연스럽게 원운동을 한다고 생각했다. 그러나 이것이 뉴턴에 이르러서는 자연스러운 운동과 비자연적 운동에 대해 개념의 변화를 가져왔다. 우선, 뉴턴은 자연스러운 운동으로 아리스토텔레스와 마찬가지로 직선운동을 생각했다. 그러나 이 직선은 약간 개념이 다르다. 아리스토텔레스는 무게의 개념을 도입해 상하 직선운동만을 고려했지만 뉴턴은 모든 직선운동을 생각했다. 더 큰 차이로는 뉴턴은 직선운동 중에서도 등속직선운동만을 유일하게 자연스러운 운동으로 파악했다. 이것은 갈릴레오의 사고(思考)실험을 통해 이미 검증된 바가 있었다. 이것을 뉴턴은 운동의 제1법칙 관성의 법칙으로 정립했던 것이다. 어떤 물체에 힘이 작용하지 않는 자연스러운 상태에서 물체는 정지되어 있거나 등속직선운동을 하게 된다는 것이다.

1-2 운동 원인에 대한 견해에 있어서도 두 사람은 의견이 달랐다. 아리스토텔레스는 물체 본연의 성질이 바로 운동의 원인이라고 주장한다. 즉, 무거운 물체는 아래로, 가벼운 물체는 위로 직선운동을 하는 것이 자연스럽다는 것이다. 또 달 위 세계 완벽한 세계로 그 세계 속의 물체는 완벽한 운동인 원운동을 하는 것이 자연스럽다고 생각했다. 아리스토텔레스는 물체가 가진 본성이 그 물체의 운동을 일으키는 근본 원인이라고 생각했던 것이다. 그에 의하면 물체는 생성될 때부터 이미 운동 원인을 가지고 있는 것이다. 이에 비해 뉴턴은 자연스러운 운동으로 등속직선운동을 인식했기 때문에 여기서 벗어나는 모든 운동을 비자연적 운동이라고 구분했다. 천체의 운동도 등속직선운동에서 벗어나기 때문에 뉴턴은 원운동도 비자연적 운동이라고 개념 지을 수밖에 없었다. 따라서, 그에게는 이런 비자연스러운 운동을 일으키는 원인을 알아내야 하는 과제가 주어졌던 것이고 이것을 그는 만유인력이라는 힘으로 정의하게 됐다. 즉, 어떤 물체에 힘이 가해지면 자연스러운 운동에서 벗어나 비자연적 운동을 하게 된다는 것이다. 이것이 뉴턴의 제2법칙 힘과 가속도의 법칙으로 정립됐다. 힘은 물체의 운동을 변화시키는 원인이 되고 그것은 가속도라는 현상으로 표현되는 것이다.

2 지능을 결정하는 요인으로 유전과 환경은 동시에 작용한다. 이것은 위의 도표를 통해 검증할 수 있다. 우선, 지능에는 유전이 작용한다. 일란성 쌍둥이는 유전자가 같고 이란성 쌍둥이는 각기 유전자가 다르다. 그러므로 쌍둥이가 함께 큰 경우를 비교해 보면 유전이 지능에 미치는 영향을 알 수 있다. 도표에서 보면 이란성 쌍둥이가 함께 큰 경우보다 일란성 쌍둥이가 함께 큰 경우가, 지능이 유전에 의해 영향을 받는 정도가 더 컸다. 이는 지능이 유전에 의해서 결정되는 부분이 상당히 크다는 것을 의미한다.

그런데 다른 경우도 생각해 볼 수 있다. 그것은 유전자가 같은 일란성 쌍둥이가 함께 큰 경우와 따로 큰 경우를 비교해 보면 된다. 일란성 쌍둥이가 함께 큰 경우는 유전의 영향이 매우 큰 것을 알 수 있지만, 따로 큰 경우는 유전의 영향이 눈에 띄게 줄어든다. 이것은 아무리 같은 유전자를 가진 일란성 쌍둥이라도 환경이나 교육의 영향으로 지능이 달라질 수도 있다는 것을 의미한다. 이렇게 두 경우를 함께 생각해 보면 지능은 기본적으로 유전에 의해 결정되는 부분도 있지만, 환경이나 교육의 영향을 받는다는 것도 알 수 있다.
/ 입력시간: 2007. 10.12. 08:59