물리 이론의 목적과 구조

‘뒤엠-콰인 논제’의 사상적 원천이 된 과학철학 고전이다. 피에르 뒤엠은 물리 이론을 자연의 실재 설명이 아니라 실험법칙을 서술하는 수학적 체계로 보며 이론과 실험의 관계, 가설 선택의 기준을 분석한다.

유명한 ‘뒤엠-콰인 논제’의 사상적 원천
19세기 과학 사례로 풀어낸 과학철학의 고전

이 책은 프랑스의 이론물리학자이자 과학사·과학철학 연구자로서 중요한 공헌을 남긴 피에르 뒤엠(Pierre Duhem)의 대표작이다. 뒤엠이 활동하던 시기 과학을 둘러싼 인식론적 논의의 핵심 쟁점 가운데 하나는 과학 이론을 실험 결과들의 경제적 서술로 이해할 것인지, 아니면 자연의 실재를 설명하는 존재론적 체계로 이해할 것인지 하는 문제였다. 뒤엠은 당시 ‘유명론’으로 불리던 반실재론적 흐름에 가까운 입장을 취하면서, 물리 이론의 진위는 실재와의 일치가 아니라 실험과의 일치 여부에 의해 평가된다고 주장한다. 과학 이론의 형식적·구조적 성격을 강조하는 이러한 관점은 동시대에 보다 실재론적 과학관을 옹호했던 앙리 푸앵카레(Henri Poincare)의 입장과 대비되며, 오늘날까지 이어지는 과학철학의 중요한 논점을 형성한다.
책은 물리 이론이 어떤 활동인지, 그리고 그것이 어떤 구조를 갖는지를 크게 두 부분으로 나누어 해명한다. 특히 19세기의 다양한 과학 이론들, 그중에서도 전자기학을 자주 사례로 삼아 논의를 전개하기 때문에 과학사적 저술로서의 가치도 지닌다. 콩트 이후 전개된 프랑스 인식론 전통을 이해하는 데 도움을 줄 뿐 아니라, 현대 과학철학의 주요 문제의식이 형성되는 과정도 보여 준다. 뒤엠의 과학철학은 이후 콰인(W. V. O. Quine)에 의해 재해석되면서 널리 알려진 ‘뒤엠-콰인 논제’로 발전하였고 토머스 쿤(Thomas Kuhn)의 과학철학에 핵심 기틀이 된 것으로 여겨진다.

물리 이론은 실험 결과를 ‘서술’하는 체계, 정합성이 중요한 기준
영국 경험주의적 과학의 ‘모델(모형)’ 중심 전통에 대한 비판

뒤엠은 실험을 통해 확립된 법칙과 그것을 설명하려는 이론 사이에는 상당한 간극이 존재한다고 본다. 실험법칙은 물리 실험을 통해 비교적 확실하게 정립되지만, 이론은 종종 특정 형이상학적 가정에 의존하기 때문이다. 그렇다면 특정 형이상학에 종속되지 않으면서도 과학적으로 유효한 이론은 어떻게 가능할까? 이러한 문제의식 속에서 뒤엠은 “물리 이론은 설명이 아니라 일군의 실험법칙들을 표상하는 수학적 명제들의 체계”라고 주장한다. 다시 말해 물리 이론은 ‘실험 결과의 경제적 서술’로 이해되어야 하며, 자연의 실재를 직접적으로 설명하는 존재론적 체계와는 구별된다.
그렇다고 해서 이론과 실재의 관계가 완전히 단절되는 것은 아니다. 기호적 체계로서의 이론은 실재에 접근하고 있다는 인상을 줄 수 있지만, 예측의 성공이 곧 실재의 발견을 의미하는 것은 아니라는 것이 뒤엠의 입장이다. 그는 빛의 굴절 이론의 역사적 전개를 검토하면서, 물리 이론의 핵심은 서술적 기능에 있으며 설명적 요소는 그것을 둘러싼 해석적 장식에 가깝다고 논증한다.
과학사적으로 흥미로운 대목은 물리 이론의 추상성과 ‘모델(모형)’ 개념을 논하면서 영국 과학자들의 연구 경향을 비판적으로 검토하는 부분이다. 뒤엠은 제1 원리를 발견하고 이를 수학적으로 연역하려는 전통을 대표하는 르네 데카르트(Rene Descartes)와 경험적 사실을 체계적으로 수집하려는 전통을 대표하는 프랜시스 베이컨(Francis Bacon)을 대비시키며, 이러한 차이가 과학 연구의 방법에서도 드러난다고 본다. 특히 영국 과학에서는 실제 장치나 물리적 모형을 통해 자연 현상을 설명하려는 경향이 두드러지는데, 뒤엠은 윌리엄 톰슨(켈빈 경)과 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 사례를 언급하며 이러한 전통을 비판적으로 분석한다.
요컨대 뒤엠에게 실재와 직접 대응하는 것은 실험법칙이며, 이론은 이러한 법칙들을 논리적으로 조직하는 체계적 장치다. 따라서 물리 이론의 첫째 기준은 경험과의 적합성뿐 아니라 논리적 정합성에 있다.

물리학에서 ‘결정적 실험’은 불가능하다
가설 선택의 조건을 분석한 고전적 논의

이 책에서 가장 중요한 부분은 물리 이론과 실험의 관계, 그리고 여러 가설 가운데 어떤 것을 선택해야 하는지를 다루는 대목이다. 뒤엠은 실험이 하나의 고립된 가설을 직접적으로 검증하거나 반증하지 못한다고 주장한다. 만약 실험 결과가 물리학자의 예측과 일치하지 않는다면, 그것은 이론 체계를 구성하는 여러 가설 가운데 적어도 하나가 수정되어야 한다는 사실을 알려 줄 뿐이다. 그러나 어떤 가설을 수정해야 하는지는 실험 자체가 결정해 주지 않는다. 바로 이 점에서 그는 물리학에서 ‘결정적 실험’이 존재할 수 없다고 말한다.
뒤엠은 아이작 뉴턴(Isaac Newton)의 천체역학과 앙드레-마리 앙페르(Andre-Marie Ampere)의 전기역학을 예로 들면서, 하나의 가설이 반증되었다고 해서 곧바로 경쟁 가설이 검증되는 것은 아니라는 점을 보여 준다. 이러한 논의는 훗날 ‘뒤엠-콰인 논제’로 알려진 문제의식을 예견하는 것으로 평가된다.
그렇다면 물리 이론을 구성하는 가설들은 어떤 기준에 따라 선택되어야 할까? 뒤엠은 만유인력 이론이 형성되는 과정을 검토하면서 다음과 같은 조건들을 제시한다. 첫째, 가설은 그 자체로 논리적 모순을 포함해서는 안 된다. 둘째, 이론을 구성하는 여러 가설들은 서로 모순되지 않아야 한다. 셋째, 이러한 가설들의 체계는 수학적 연역을 통해 실험법칙들을 충분한 근사로 표상할 수 있어야 한다.
『물리 이론의 목적과 구조』는 과학과 철학이 점차 분리되고 다양한 인식론적 논의가 활발히 전개되던 시대의 지적 분위기를 잘 보여 주는 고전이다. 오늘날의 과학철학과는 다른 맥락에서 쓰인 부분도 있지만, 물리 이론과 실험의 관계를 깊이 있게 성찰한 고전으로서 여전히 읽을 가치가 있는 저작이다.