5. 생태계 뇌과학 46 Ⅵ. 수리 정보계 48 도입 : 수 도형 추론 변화와관계 자료의분석과신뢰 정보이해능력 54 Ⅶ. 사회계 : 과학과인문사회학 57 도입 : 인지과학과사회 58

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1 < 차례 > 여는말 1 Ⅰ. 과학의본성 4 도입 : 4 1. 과학의정의 5 2. 과학속의수학 7 3. 과학속의기술 8 Ⅱ. 과학의언어및도구 10 도입 : 수학 논리 측정과단위 과학자공동체 15 Ⅲ. 과학의방법 17 도입 : 과학적방법과사고 다른분야속의과학방법 과학역량과태도 21 Ⅳ. 물질계 24 도입 : 물질의구조 물질의상태 지구와우주 물질사이의힘 물질변화의규칙성 지구계와상호작용 35 Ⅴ. 생명계 38 도입 : 분자에서생태계로 생명이란무엇인가? 생명의연속성 인체의생리 44 - i -

2 5. 생태계 뇌과학 46 Ⅵ. 수리 정보계 48 도입 : 수 도형 추론 변화와관계 자료의분석과신뢰 정보이해능력 54 Ⅶ. 사회계 : 과학과인문사회학 57 도입 : 인지과학과사회 인공지능과사회변화 과학기술과경제변화 과학기술과사회변화 62 Ⅷ. 과학과기술 66 도입 : 과학과기술의관계 사회속의과학과기술 71 Ⅸ 미래사회속과학의응용 73 도입 : 메가트렌드와미래사회 미래의의식주및의료 미래의소통과교통수단 기후변화와자원부족극복을위한기술 81 Ⅹ. 한국인을위한제안 : 과학소양실현방안 83 도입 : 한국사회속과학기술 한국의과학문화 한국학교교육개혁 한국과학기술의미래와과학소양 91 맺음말 94 - ii -

3 여는말 지난천년동안인류문명에가장기여한발명중의하나로구텐베르크의인쇄술을꼽는다. 이는종교가절대적권위를지니던유럽이중세를벗어나르네상스를거쳐근대로탈바꿈을하는데가장큰기여를한발명품이기때문이다. 그러나이러한사회적변혁은인쇄술이라는단일한기술하나만으로진행된것은아니다. 인쇄술혁명이가져온지식의전파는인쇄기를만드는금속조형기술의발달, 동양으로부터전파된종이를만드는기술등크고작은다양한수준의기술적변혁들이모여유럽을근대세계로이끌었다. 이와같이각기다른시대, 다른장소에서만들어진다양한기술들이서로연결되어사회의변혁으로연결된역사적사례는수없이많다. 20세기이래로거의모든첨단기술은과학을바탕으로발전하여왔다. 그리고과학의발전이가져올미래의변화는예측하는것이불가능할정도이다. 우리가길거리를다니면서스마트폰으로음악을듣게된것은양자역학을이론적바탕으로하는반도체가개발되어스마트폰을만들수있었던덕분이다. 보어 (N. H. D. Bohr) 나슈뢰딩거 (E. Schrodinger) 와같은양자역학이론체계를만든과학자들도현재의결과를예측하지못했을것이다. 이와같이과학과기술의발전, 더엄밀하게말하면과학을바탕으로하는기술의발전은예측하기어려우며미래에는그변화속도가더욱빨라질것이다. 또한과학기술의발전은인류의문화와사회제도의변화를야기하여왔다. 예를들어 20세기초에어컨의발명은영화를극장에서편하게볼수있게만들어영화산업발전에큰영향을주었고, 20세기후반가정용에어컨의대중화는후덥지근한기후인미국남부에북부공화주의자들을대거이주하게만들어 플로리다주의경우 1920년대인구가 100만이었는데반세기만에 1,000만으로증가 민주당의아성이던남부를공화당성향으로만드는데기여하였다고한다. 이와같이역사적으로과학과기술의발전은사회전반을변화시켰고, 이는미래에도마찬가지일것이다. 서양의과학기술전통이부족한우리국민은과학과기술에대한관점을단지실용적인도구로만생각하는경향이있다. 앞으로미래를살아갈우리국민은과학에대한더욱폭넓은이해와관심을필요로하므로, 모든한국인을위한과학 에서는 2050년도를살아갈한국국민이갖추어야할과학소양에대하여제안하고자한다. 이보고서에서는크게세가지요소를고려하여연구를진행하였다. 하나는 2050년미래를기준으로하며, 다른하나는모든한국인을대상으로하고, 또다른하나는과학소양 (Science Literacy) 에대한공감대를형성하고제안하는것이다. 이각각에대하여명시하지는않았지만많은사람들이상식적, 암묵적으로동의할수있는개념과범위를고려하였다. 과학소양은일찍이 1950년대미국에서제안된개념으로많은국내외과학교육학계의연구가있었고그동안과학소양개념에도변화가있었다. 최근과학소양에대해공통적으로제안되는개념은과학에 - 1 -

4 대하여이해하고이를사회에적용하는것과핵심역량과과학지식을가지고과학관련사회적이슈에참여하는능력, 두가지를핵심으로한다. 따라서이보고서에서도이를구현할수있도록과학소양을구성하였다. 그리고과학소양을갖춘사람이란다음과같이정의할수있다. 첫째로학습가능한능력을바탕으로, 둘째, 개인과사회구성원으로서성공적인삶을영위하기위하여갖추어야할보편적인과학능력을지녔으며, 셋째로사회참여를포함한실제상황에서의문제를해결하기위하여과학의지식과태도, 핵심역량을발휘하는사람이라고할수있다. 이보고서에서는과학소양의두가지핵심과과학소영을갖춘사람에대한보편적인이해를바탕으로이를구현할수있도록과학소영을구성하였다. 한국인의과학소양을개발하면서설정한네가지기본방향은다음과같다. 미래지향적이다. 이보고서는 30여년후성인으로서살아갈대한민국국민이라면기본적으로갖추어야할과학소양을서술하는데미래가어떻게변화할것인가를예측하는것도쉽지않고, 앞서미래학자들이제시한예를보더라도예측한대로변화하지않는경우도많았다. 그리고이보고서의목적은미래를예측하거나미래예측을교육하려는것도아니다. 이보고서는 30여년후성인으로서살아갈대한민국국민이라면기본적으로갖추어야할과학소양을서술하려는것이다. 30 년후라고하더라도과학의기본소양의상당부분은지금우리가필요로하는것과크게다르지않을수도있다. 왜냐하면 30~50년전에배운수학이나물리학의법칙이달라질것은아니기때문이다. 한편, 과학기술의활용이라는측면에서보면 50년전과비교하여변화한것도상당히많다. 스마트폰이일상화되었고전세계어느곳이나저렴한비용으로통화할수있고, KTX와같은운송수단의발전으로먼거리를단시간에오갈수있다. 마찬가지로 30년후미래의생활은변화하지않는것도있겠지만지금과상당히달라질부분도있을것이다. 따라서지금중시되는능력이나지식이미래에는별로중요하지않을수도있고, 역으로지금전혀중요하지않은것이미래에는상당히중요한것으로바뀔가능성도있다. 50여년전에는중요하여누구나배웠던구구단이나암산능력은지금은그중요성이덜하다. 지금은우리가영어로읽고쓰고소통하기위해노력하지만, 미래에는자동번역기가보편화되면서언어장벽을극복하고따라서외국어교육은지금보다는중요도가낮아질것이다. 따라서이보고서는 30년후미래를살아갈모든한국인에게중시될삶과직업환경등에도움이될만한과학지식과역량을서술하려고하였다. 합리적이고창의적인문화형성기여일반적으로우리나라국민들은인내심이강하고근면하며성실하다고알려져있다. 그러나창의성이부족하고때로는너무감성적이되어이성적이고합리적인판단을하지못하는경우가있다고도한다. 문화는단기간에형성되는것이아니라오랜역사속에서형성되는사회관습이다. 문화는오랜동양전통과우리생활방식에의하여형성되었기때문에쉽게변화하기어렵지만, 사회, 경제적변화에적응하여상대적으로빠르게변하기도한다. 우리나라가서양에문호를개방할당시조선을방문했던외국선교사들이남긴글을보면, 우리나라사람들은모든면에서매우느리다고표현하였다. 이러한경향은 20세기중반까지도그다지크게바뀌지 - 2 -

5 않은듯하다. 그러나오늘날외국사람들의한국인에대한평가는 빨리빨리 의조급성으로대변된다. 이는아마도지난수십년간국가발전을이끌기위하여모든국민들이노력하는과정에서생긴문화일것이다. 과학소양교육은한국인에게다소부족하다고지적되는창의적이고합리적인사고와실천능력을가지게하는데상당한기여를할수있을것이다. 특히과학지식의주입보다는과학소양으로핵심역량을강화함으로써한국의합리적이고창의적인문화형성에기여할필요가있다. 과학의능력과한계인식과학은인류문명발전에크게기여해왔다. 서양의과학은자연에대한이해에서출발하였지만최근에는기술의발전을견인하여현재의인류문명을누리게하였다. 과학과기술의어우러진힘에의하여인류는달에도달할수있었고지구상의어디든지어렵지않게도달할수있는능력을갖추게되었다. 그러나이해할수없는자연현상은항상존재하기에한계가있었고이를알아내기위한노력이과학발전의원동력이되었다. 수십년전만하더라도암은불치의병이었지만, 원인을찾아내고치료방법을고안해서지금은일부암의경우거의극복할수있는수준에와있다. 현재의과학과기술의능력을알고, 그한계가어디까지인지를인식하는것은과학소양으로반드시필요하다. 이러한과학과기술의능력과한계인식은미래의삶과직업에적용하는데도도움이될것이다. 과학에대한관심과흥미유발많은사람들이초중등교육에서과학을어려운과목으로인식하고있다. 특히중고등학교과정에서과학은가장기피하는과목중하나로알려져있다. 과학현상을교육을통하여일반학생들에게이해시키는것은쉽지않으므로, 과학을효과적으로교육시키는방법에대하여많은연구가진행되었고다양한교육방법들이시도되고있다. 그러나모든국민이과학을완벽하게이해하도록교육하는방법을개발하기란어려우며, 그것은이보고서가추구하는목적도아니다. 이보고서에서목표로하는과학소양인이란, 기본적으로과학이무엇이며, 어디에그리고어떻게적용할수있는지를이해하고, 과학을생활에적용하면서항상관심을가지고과학과기술을후원할수있는국민을의미한다. 그리고과학자, 공학자, 기술자는어떤사람이고우리사회의주요구성원으로서어떤기여를하고있는가를이해하며, 나아가과학자와기술자가되고자하는관심을가지고과학과기술을성원할수있는과학소양인을양성하려는것이다. 이보고서를개발하는데각계각층의다양한사람들이다양한형태로참여하였다. 최종보고서는과학, 기술, 교육관련전문가들이집필하고정리하였지만, 과학소양개발을위해진행한설문조사, 토론회, 타운홀미팅, 델파이조사, 의견수렴등에는전문가들뿐만아니라학생, 학부모, 관심있는일반국민들이참여하였다. 이보고서는단기간내에완성하느라부족한부분이많다. 향후에도지속적인수정보완을통해보다완성된형태로다듬어나야할것이다

6 <1 범주 > Ⅰ. 과학의본성 도입 : 우리는과학이자연세계를설명하는방식이라는것에동의한다. 과학은그자체로사회적활동이며, 역사적으로축적된지식과일련의실천을특징으로한다. 과학소양을함양한다는것도결국은과학의기본이되는개념에관한지식을개발하고, 과학을실천하는방식을개발하는것과다르지않다. 제 1장에서는과학론, 과학철학, 과학사, 과학사회학, 과학교육등에서공유하는과학소양으로서함양해야할과학의본성에대해논의한다. 1장의논의는이후 2장부터전개되는과학소양으로서의과학의언어와도구, 과학의방법을위한토대역할을한다. 즉, 과학이란무엇인가에대한물음에서출발하여과학속의수학과기술을살펴봄으로써과학의본연에대해생각할기회를가질수있을것이다. 먼저 과학의정의 에서는과학의기원, 과학의의미와목적을점검하고, 최근외연을확장하고있는과학의범위를살펴본다. 과학기술, 과학기술사회 (STS), 과학기술공학수학 (STEM) 을넘어서서예술과인문학까지포괄하는융합인재교육 (STEAM) 에이르기까지과학의학제화움직임을논의한다. 이어서과학을과학으로규정하는과학지식과과학적실천인탐구를각각의구성요소, 과학지식에대한전통적인식론과현대적인식론의차이, 과학탐구의본성과일치하는과학교육의필요성등을논의한다. 과학속의수학 에서는과학과수학의관계, 수학으로표현하는과학, 모든한국인을위한과학속의수학등을살펴본다. 과학은자연을표현하는최고의도구이자언어인수학을활용하여표현하고소통하므로, 과학소양에포함되는과학그리고모든한국인을위한과학속의수학에서는그자체로중요한수학의기본적인개념, 과학과수학의관계및과학을이해하는데필수적인수학에초점을둔다. 과학속의기술 에서는과학과기술의관계, 모든한국인을위한과학속의기술등을살펴본다. 과학에기초한기술, 과학과기술혹은기술과공학의차이를간단히살펴보고, 서로의경계를초월하여교류 연계할미래의과학과기술의관계를조망한다. 호모파베르로서인간은과학기술을통해유형, 무형의도구를만드는동시에자기자신도만들어간다. 과학소양으로서의기술그리고모든한국인을위한과학속의기술에서는현재는물론미래에도여전히삶에필요할기술과, 과학의원리를통하여새로운기술을창조할수있는능력함양의필요성에초점을둔다

7 1. 과학의정의 과학의정의와과학의본성의외연확장과학 (science) 은안다 (to know) 를뜻하는라틴어 scientia에그어원을둔다. 과학은과학적방법을적용하여자연의작동원리를이해하고, 자연현상이일어나는원인을설명하고새로운자연현상을예상하며, 그리고그에관한앎을적용하여자연을통제하는것을목적으로한다. 과학에서는그런방식을적용하여인과관계나상관관계를밝힐수있으며, 그런관계를통해서자연현상자체와그들사이의관계를이해하고설명할수있다. 과학적이해의범위는관찰과측정이가능한현상으로부터그런현상이일어나는메커니즘에관한설명에이르기까지광범위하다. 전통적으로넓은의미의과학에는순수과학, 응용과학, 기술등이혼재해왔다. 그러나기술을통해서과학지식이폭발적으로증가하여기술의지식이체계화됨으로써과학과기술은더욱통합적인의미를지닌과학기술 (Scienced and Technology; S&T) 로불리게되었다. 오늘날에는과학과기술이대부분통합되어있어서과학기술 (S&T) 이라는용어로불리며, 두분야의주된활동도통합되어연구개발 (Research and Development; R&D) 이라는종합적접근법에따라이루어진다. 나아가, 사회구성원으로서의과학자의역할과책임이과학의본성에관한논의에서중요한주제로대두됨으로써과학기술 (S&T) 이이보다더종합적인의미의 STS (science-technology-society) 로불리게되었다. 한편과학이과학기술 (S&T) 혹은 STS라는새로운과학관을갖게되면서, 과학교육학에서는연구개발 (R&D) 의주요한활동목적인문제해결 (problem solving) 이강조된다. STS와관련된용어로미국에서는 STEM을, 우리나라에서는융합인재교육 (STEAM) 을강조한다. 미국의 STEM은과학기술과사회사이의관계보다과학기술과공학및수학과의관계를중요시한다. STEAM은과학기술과공학 예술 수학사이의관련성을강조한것으로, 기존 STEM을넘어서서예술과인문학까지를통합하는학제간과학 (interdisciplinary sciences) 을지향한다. 이러한학제화움직임은분야간경계를초월하여교류 연계함으로써학문의새로운영역을개척하는것을목적으로한다. 과학지식의구성과학은자연세계에대한지식을산출하는과정이며, 과학의산출물은과학활동의결과로만들어진지식과사물을포함한다. 과학지식은수준에따라사실, 개념, 모형, 법칙, 이론등으로구분하기도한다. Ÿ사실 (facts): 사실은관찰과측정을통해얻은구체적이고검증가능한정보로, 개념, 원리, 이론등과같은다른과학지식의바탕이된다. Ÿ개념 (concepts): 개념은어떤특성이나속성을공통적으로가지고있는사상, 사물, 현상에대한추상화로정의되며, 과학교육학에서는개념의구성요소로이름, 정의, 속성, 가치, 실례의다섯가지를제시한다. Ÿ모형 (models): 모형은우리가관찰할수없는어떤것에대한표상 (representations) 으로, 추상적관념을설명하는정신적영상, 물리적구조, 도표, 수학적공식등다양한방식으로표현된다

8 Ÿ법칙 (laws): 법칙은과학적사실, 현상들사이에나타나는규칙성을정리한것으로, 과학교육학에서는법칙과원리를혼용하기도한다. Ÿ이론 (theories): 이론은자연현상에대한잘검증된설명체계로, 이론은사실, 개념, 법칙을조직화하여특정현상이왜그리고어떤메커니즘으로일어나는지에대한설명을제공한다. 한편, 아직확실하게검증되지않은이론으로, 문제에대한잠정적인답을별도로가설 (hypotheses) 이라고부른다. 이러한과학지식에대한인식론적관점은과학적지식이관찰과경험을바탕으로한다는토대주의 (foundationalism) 에근거한다. 20세기초의실증주의자부터 1950년대과학철학계의큰흐름이었던논리경험주의는토대주의의양상이다. 이들은과학적지식은실험과관찰에입각하고, 주관과객관을구분하며인식의투명성, 관찰가능성, 보편적진리의성립가능성을제시하였다. 그러나그후과학연구방법의비판, 관찰의이론의존성 (theory-ladenness), 증거에의한이론의미결정성 (under-determination of theory) 등과같은토대주의에기반한전통적인인식론의문제점과비판이제기되면서현대적인식론이등장한다. 과학지식은사회적특성을지니며과학자공동체에의해구성된것으로, 잠정적이고변화가능성을지니고있는것으로간주된다는것이다. 과학탐구과학을구성하는실체론적지식인과학내용과과학을하는방법은긴밀한관계를가진다. 과학적연구 (scientific research) 는과학적방법을형식적이고체계적으로적용하여자연현상을조사하는과학적활동이다. 과학의여러학문분야를막론하고과학적연구방법인과학탐구를공유한다. 즉, 과학자공동체는증거기반검증, 가설과이론의활용, 과학적추론방식등과같은과학탐구방법을공유하여과학적연구를수행하고있다. 과학자가과학적연구에활용하는과학탐구방법을과학교육에서는과학적탐구과정기능 (inquiry process skills) 으로지도한다. 과학자들의연구가자연현상을기술, 이해, 설명, 예상할목적으로수행된다면, 학생들의과학탐구는탐구과정및기능의습득과발달을통한과학지식의이해와적용을목적으로한다. 과학적탐구과정을기초탐구 ( 관찰, 분류, 측정, 예상, 추리등 ) 와통합탐구 ( 문제인식, 가설설정, 변인통제, 자료변환과해석, 결론도출과일반화등 ) 로구분하기도하는데, 여기서통합탐구는과학적방법혹은실험방법으로부르기도한다. 하지만과학자들이항상따라야하는과학탐구의단계가정해져있는것도아니고과학지식생산을담보하는유일한과학탐구방법이있는것도아니다. 즉과학탐구방법은연구대상과목적에따라달라질수있다. 그렇지만과학교육은이러한과학탐구의본성과부합하는형태로이루어질필요가있다

9 2. 과학속의수학 과학과수학의관계생활주변을관찰하다마주치는많은것들에대하여개수를헤아리는것은흔한일이다. 어린아이에게과자한개를주면한개를더달라고하고, 아이는성장하면서자신이두개를원한다는것을알게된다. 또한주변에서관찰되는물체들사이에는비슷한형태가있다는것도파악하게되고, 다양한형태들의가장기본적이고추상적인형태를도형과같은단순한이미지로생각해낸다. 이렇듯인류의역사는자연을관찰하는과정에서관찰을단순화하여표현하는수학을만들어냈다. 수학이발견되었는지혹은발명되었는지는불분명하지만, 인류는자연을표현하는최고의도구이자언어라고할수있는수학이라는수단을가지게되었고이를통하여자연현상을더잘이해하게되었다. 수학으로표현하는과학과학은자연을이해하는아주중요한방법중하나이며, 과학은자연현상이나원리를표현할때수학을활용한다. 자연현상을관찰하면대부분은매우복잡하다. 관찰한것을일상의언어로표현한다면사람들은제각기다르게표현할것이다. 해가뜨고지는것도단순히동쪽에서뜨고서쪽에서진다고말하는사람이있는반면, 어느산에서떠오르고하늘의구름을뚫고지나어느강밑으로사라진다는등과같이시적으로표현하는사람도있을것이다. 그러나매일반복되는해가뜨고지는현상을수치화된방위로정확히표현하고해가지나가는경로를구면위의원을가지고표현한다면, 이를메마른표현이라고생각할수도있겠지만, 누구나해가뜨고지는자연현상을과학적으로인식할수있는표현이될수있을것이다. 따라서지구상의지역에따라달라서소통이어려운일상언어와는달리, 수학은과학을표현하는가장중요한언어로서세계공통의소통수단이다. 즉, 수학은전세계적으로자연을같은방식으로이해할수있도록하며, 아마도외계에지능을갖춘생명체가존재한다면우리가사용하는것과유사한수학을사용할가능성도있다. 모든한국인을위한과학속의수학수학은눈에보이는현상보다는추상적인개념을다루는학문으로, 자연현상을더욱잘이해하고소통하게하는수단이다. 과거, 현재, 그리고미래의수학은그자체로서매우중요한분야이고, 나아가자연에는존재하지않지만추상적인것을가상하거나창조할수있다. 따라서미래의수학이어떻게변화하고발전할것인지를현시점에서짐작하기는어렵다. 또한, 수학은과학이상으로중요도가높고다루는분야도방대하다. 따라서과학소양에서다루는과학속의수학은현재그리고미래에중요하다고예상하는수학의일부분으로, 과학과수학의관계및과학을이해하는데필수적인수학에초점을둔다. 많은자연의원리는수학을사용하여나타낼수있다. 때로는자연의원리를표현하는데전문학자가아니면이해하기어려운수학이사용되기도한다. 그러나모든한국인을위한과학에서는과학법칙을나타내는어려운수식을이해하는데목적을두는것이아니라, 수학의기본적인개념과그것을적용하여자연현상을표현하는방식을이해하는데목적을둔다. 나아가일 - 7 -

10 상생활이나과학이외의분야에서마주치게되는다양한현상들을수학적으로분석하고이해 하며새로운것을창조할수있는능력을함양하는것을목적으로한다. 3. 과학속의기술 과학과기술의관계인간은구석기시대이래로삶을유지하기위하여많은것을만들어왔다. 인류사에서인간이살아가는데필요한도구를만들었고도구를이용하여삶을유지하는물건들을만들어낸다는점에서도구의인간이라는호모파베르 (Homo Faber) 로표현하기도한다. 인간은유형적인것뿐만아니라제도나컴퓨터소프트웨어등과같은무형적인것도만들어왔다. 이렇게자연에존재하는것을변형시켜인간에게유용한것을창조해내는것으로기술 (technology) 이라고부른다. 전통적인의미에서과학은자연현상이나사물의구조, 성질, 법칙등을관찰가능한방법을통해얻어낸체계적이고이론적인지식체계를의미한다면, 기술은과학지식을이용하여새로운도구나물질, 방법을개발하여그와관련이있는일상생활의문제를해결하는데주된목적이있는실용적영역이다. 인류역사를보면자연의원리를탐구하는추상적인과학과실용적인기술은상호관련성이거의없이발전해왔다. 현대적인관점에서해석하더라도유용성을추구하는기술은여러가지자연의원리들을복합적으로포함하고있기때문에고대의사변적인과학으로부터도움을받는것이어려워보인다. 그러나근대과학혁명이후과학이자연현상을정량적으로설명할수있게되었고, 기술에도적용되기시작하였다. 또한과학을연구하는과정, 특히실험적인과학연구의경우에는기술을활용하여실험기구를만들고이를과학연구에활용하였다. 이처럼근대이후과학과기술의관계는과학이기술의진보를촉진하고, 기술은과학의범위를확장하며새로운과학지식을생성하는관계를맺게되었다. 현재삶의유용한대부분의기술들은과학적원리를기반으로만들어졌으며미래의과학과기술은더욱밀접하게관련되어상호구분이무의미해질수도있을것이다. 모든한국인을위한과학속의기술기술은삶에유용한것을창조하는것을목적으로한다. 인간은자신의삶을위하여기존에존재하지않던유용한기술을새로고안한다. 따라서미래에만들어질새로운기술은아직은존재하지않는것일수있다. 기술을과학과접목하여기술의원리를탐구하거나과학의원리를적용하여유용한것을만들어내는과정을공학 (engineering) 이라고한다. 공학의학문적범위는매우넓고, 그종류도다양하다. 미래의기술은훨씬더다양하고새로운공학분야를만들수도있고, 현재는덜중요한분야가훨씬더중요해질수도있을것이다. 모든한국인을위한과학에서다루는기술은현재존재하는공학분야들을모두다루지는않는다. 기술은결국인류의삶에유용한것으로규정되므로, 현재는물론미래에도여전히삶에필요한분야를중심 - 8 -

11 으로, 그리고미래에더욱발전할과학의원리를활용하는기술의방향을다룬다. 예를들면, 의식주, 소통및이동수단, 건강, 환경등에필요한기술에초점을두고있다. 모든기술에는다양한과학적원리들이복합적으로관여하며, 어떤유용한것을만들때여러기술들을사용하므로관련된전문가들도자신의전문분야이외에는이해하지못하는경우가발생한다. 따라서모든한국인을위한과학속의기술에서는모든기술들을나열하고그에적용되는과학적원리를이해하려는것이아니라, 유형적혹은무형적으로삶에필요한것과관련된기술을규명할수있는능력을갖추는것을목적으로한다. 나아가이러한기술과과학원리의관련성을파악하고, 과학원리를통하여새로운기술을창조할수있는능력을함양하는것을목적으로한다

12 <2 범주 > Ⅱ. 과학의언어및도구 도입 : 인간을인간으로그리고인간답게만들어온것은언어를통한소통능력이다. 과학을특정지역의언어가아니라글로벌차원의보편언어로만든것은과학이활용하는언어와도구덕분이다. 즉, 과학은수학이라는언어로기록되고, 논리라는언어로사고하며, 자연법칙을측정을통해양 ( 量 ) 과양의관계를나타내는단위로표현한다고볼수있다. 그리고과학자공동체는이러한과학의언어와도구를공유하면서과학적담론의정통성과타당성을담보하는파수꾼역할을한다. 제 2장에서는과학의언어및도구로서수학, 논리, 측정과단위, 및과학자공동체를살펴본다. 먼저 수학 에서는과학의언어로서수학, 과학의언어로서수학의구조, 과학과수학의상호작용을논의한다. 과학을배우고이해하기위하여기본적으로학습해야할기초언어로서의수학, 수학의추상적언어로자연의구체화된대상을표현하는과학, 그리고서로의필요에의해새로운방법, 사고방식, 표현등을만들어내는과학과수학의상호작용을살펴본다. 논리 에서는과학의도구로서논리, 논리에의한과학적추론, 과학교육을통한논리교육등을살펴본다. 과학지식의습득과더불어과학소양으로과학적방법의이해, 비판적사고의함양등이중요하며, 이를위해논리적으로표현된과학지식과논리에의한과학적추론을필요로한다. 특히과학을통하여과학적추론을뒷받침하는논리를가장쉽게습득할수있기때문에논리는과학교육에서가장중요하게다루어야하는도구중하나이다. 측정과단위 에서는실험과학에서측정의의미, 기본량과유도량을나타내는단위, 양과단위에관한국제기구, 기본상수를이용한단위의재정의등을살펴본다. 측정결과인측정값은숫자와기준으로표시하는데기준의하나로단위를사용한다. 즉, 다양한양을수치화하기위해서는단위를정할필요가있다. 7개의기본량을나타내는기본단위와그조합으로만들어진유도단위, 7개의기본단위및유도단위를포함하는국제단위계, 양과단위를협의를통해결정하는국제기구들, 측정값에항상내재하는불확도, 불변이라고믿는기본상수를이용한단위의재정의등을논의한다. 과학자공동체 에서는과학공동체의의미와역할, 과거, 현재그리고미래의과학공동체의특성등을살펴본다. 과학적주장의정통성과타당성을확보하는방법중하나는관련연구분야의동료들, 즉과학자공동체의검증이다. 특정패러다임을공유하는과학자공동체는공동체구성원들의과학적주장을검증하고타당화하는등일련의과정에서독자적인역할을수행한다. 연구자개인의경험을바탕으로소수의몇몇사람들로구성된과거의과학공동체에서부터다양한과학자집단의통합된지성이중시되는현재의과학공동체, 그리고과학기술의발전으로보다다양하고폭넓은형태로전개될미래의과학공동체를조망한다

13 1. 수학 과학의언어로서수학인류가모든생물중에특별한존재가된이유중하나는언어를통한소통능력때문이다. 일상에서소통하기위한언어는물론, 모든학문도언어와문자를통하여소통하고전수해왔다. 그러나인류의언어는지역에따라다르게만들어져사용되어왔기때문에서로다른지역에거주하는사람들사이의소통은여전히쉽지않다. 과학의모든지식도언어와문자를통하여소통하고기록하며, 근대이전에는지역에따라다른언어로기술하였다. 그러나과학혁명이후수학은과학을표현하는하나의세계공통언어가되었다. 비록각기다른일상어를사용하는과학자라고하더라도, 과학의원리를수학이라는언어와문자-문자라기보다는부호-로표현하고소통하고있다. 따라서과학을배우고이해하기위하여기본적으로수학이라는기초언어를알아야한다. 과학의언어로서수학의구조언어는지역에따라자의적으로만들어지므로, 특정지역의언어로다른지역사람들과소통하는것이쉽지않다. 반면에수학은처음에는지역에따라다른표현으로만들어졌지만, 근대의과학활동과수학연구를통하여꾸준히전세계적으로통일되어왔다. 현재수학은지구상의모든지역에서동일한소통방식을사용하는과학의통일된언어중하나라고할수있다. 모든언어가소리혹은문자와같은표현방식과이를연결하는문법적구조를가지고있다. 마찬가지로, 수학도숫자나도형과같은표현이있으며, 이들사이의관계를주로기호를사용하여나타내는규칙이있다. 순수수학에서이러한표현방식은구체적인자연속의대상을상정하지않고도추상적으로표현할수있다. 그러나과학에서는구체화된대상에대하여수학이가지는추상적인개념을대입하여수학의언어로표현한다. 그리고이렇게추상적인수학으로표현함으로써자연속의대상혹은그변화의핵심적요인을더쉽게이해할수있다. 과학과수학의상호작용역사적으로수학의언어는자연속의대상을가지고그표현방식을만든것으로추정한다. 근대의대부분의과학은관찰한자연현상을표현하기위하여새로운수학을만들어내기도하였다. 예를들어아주큰수를표현하기위해로그 (log) 를사용하거나, 물체의운동을명확하게표현하기위하여미적분을만들었다. 즉수학의언어는자연의현상을표현하기위한새로운방식을지속적으로만들어왔고그결과가현대수학이다. 그러나최근의수학은자연속의대상과상관없이자체적으로만들어지기도한다. 그리고이러한추상적인수학에해당하는구체적인자연현상이그이후에발견되어다시수학의언어로표현되기도한다. 일부과학분야에서는수학의언어와표현방식을차용하여과학적현상을표현하기도한다. 예를들어우리가순수수학에서수의덧셈을표현한수식으로 1+2=3이라고표현하지만, 화학분야에서수학의수식을차용하여 두개의수소분자와한개의산소분자가화학결합을하여두개의물분자를만드는 현상을 2H 2 +O 2 =2H 2 O라는화학식으로표현하기도한다. 이와같이다양한형태의자연현상을수학의언어를차용하여표현하기때문에과학이필요로하는기본적인수학의개념을언어처럼이해할필요가있다. 또한과학과과학의언어로서수학이

14 서로의발전에어떤영향을주는지를이해할필요가있다. 2. 논리 과학의도구로서논리과학을배우는주요한이유중하나는자연에관한전문적인지식을습득하는것이지만, 일반들에게는과학지식습득보다는과학적방법을이해하고비판적사고를함양하는것이더욱중요하다. 과학적방법과과학적사고는다양한형태의자연현상에대한과학적자료를이해하고평가하며유용한기술을획득하도록돕는다. 이를위해논리적인사고와표현의습득이가장기본적으로요청된다. 논리학은사유작용의형식과규칙을연구하며, 논리는인간의지적활동을명제들로표현하고, 이러한명제들사이의관계를통하여확실한지식을얻는과정이라고할수있다. 과학은자연에서일어나는현상들에서핵심적인부분을추출하고이를일반언어나수학과같은과학언어로표현함으로써과학자는물론관심있는일반인들도현상에대하여이해할수있도록한다. 이표현과정은논리적이어야한다. 수학은이미그안에합당한논리를포함하고있지만, 수학이아닌일반언어로표현하는경우논리적으로합당하게구성할필요가있다. 논리에의한과학적추론논리학은사고의내용은취급하지않고사고의형식만을다룬다. 과학은이러한형식을사용하여과학적현상을설명한다. 다시말해, 과학은자연의현상을이해하기위하여추론을통해가설을만드는데, 이때추론의방식은논리적이어야한다. 즉가설은논리적추론을통해제안되어야한다. 논리적사고의가장기본적인요소는증거에의하여판단하고제안하는논증적과정이다. 과학에서도기본적원리는다양한자연현상들을관찰하여핵심적증거를수집하고이를증거로가설을제안한다. 그리고제안된가설을유사한다른현상들에적용할수있는지에대하여논리적으로판단하고검증함으로써자연의원리를알아낸다. 일찍이고대그리스시대에아리스토텔레스는정확한논리적사고는연역적이라고생각하였다. 그이후중세를거치면서연역논리학이철학의가장중요한도구가되었다 1). 근대에들어와베이컨 (F. Bacon) 은귀납적사고에의한논리학을제안하였다. 하지만지나치게경험적관찰만을강조하는베이컨의귀납법은, 경험과는상관없지만무척중요한자연과학의방법또는기본논리인수학을등한시한다는문제점을지닌다. 즉, 아무리귀납법을통해많은관찰자료를수집하더라도, 그러한관찰결과에바탕을둔이론이보편성을지니려면수학적법칙의차 1) 근대이전까지과학은철학의한범주였다. 논리학은올바른사고의형식및법칙을연구하는학문으로크게형식논리학과인식론적논리학으로나누어볼수있다. 형식논리학은사고의내용으로부터분리되어기호적으로표현할수있는사고 ( 판단, 추리등 ) 의형식, 법칙을연구하고, 인식논리학은대상인식을위한사고의형식, 법칙을연구하는것으로, 인식의본질, 인식의발전과정, 진리의기준및범주등의연구를포함한다

15 원에서설명될필요가있다. 이러한약점에도불구하고, 베이컨의귀납법은아리스토텔레스의 연역적논리학을절대시하던경향에서벗어나, 근대적인실험과학의방법론을주창했다는점 에서중요한의의를지닌다. 과학교육을통한논리교육과학은분야에따라자연현상을정의하고설명하는것을목적으로하며, 수치적으로표현할수있으면수학을통하여논리를전개한다. 그러나주어진자연현상을명확하게정의할수없고수치로측정하기에도모호한경우에는정성적인표현을활용하여자연현상의내재적원리를추론하게된다. 이경우어떠한수학도포함하지않고단지자연의관찰들을모으고분석하여논리적추론을하게된다. 예를들어 19세기중엽다윈 (C. Darwin) 은갈라파고스군도의여러섬들에서관찰한핀치새들의부리형태를분석하는과정에서오직논리적추론을활용하여생명체의다양한종들은자연선택에의한진화라고추론하였다. 현대의발달된생명과학의다양한도구들은정량적인실험결과를통하여진화론을뒷받침하고있지만, 과학의과정에서는항상논리적추론이라는도구를사용하게된다. 논리적추론은자연현상연구에유용한도구이지만사회를살아가는동안과학이외의분야에서도유용한도구로사용할수있다. 그리고일반인들은과학을통하여과학적추론을뒷받침하는논리를쉽게습득할수있기때문에논리는과학교육에서가장중요하게다루어야하는도구중하나이다. 3. 측정과단위 Key words: 측정, 기준, 양, 단위, 국제단위계, 기본상수, 재정의 측정이란? ( 또는, 측정의의미 ) 과학은이론과실험이나란히발전할때비로소발전한다. 실험이먼저이루어진경우에는그결과를설명할수있는이론이나와야만새로운현상을예측할수있고또응용할수있다. 역으로, 이론이먼저나온경우에는그것을실험적으로증명해야만그이론을신뢰할수있다. 이론이수학과논리를바탕으로만들어진것이라면실험은측정을통해서이루어진다. 측정이란측정하려는대상, 즉양을그것의기준과비교하여구체적인값을얻는과정을말한다. 측정결과인측정값은숫자와기준으로표시하는데, 그기준의하나로단위를사용한다. 예를들어, 내키는 180 cm이다. 라고할때 180의숫자와 cm의단위가합쳐져서 키 라는 길이 의양을나타낸다. 기본량과기본단위, 유도량과유도단위과학에서측정하려는양의종류는아주많다. 그리고과학과기술이발전할수록측정할양은점점더늘어난다. 그런데이렇게많아보이는양도결국길이, 질량, 시간, 전류, 열역학적온도, 물질량, 그리고광도라는 7개의기본량으로구성된다. 이기본량을나타내는단위를기본단위라고하는데, 7개의기본량각각에대해미터 (m), 킬로그램 (kg), 초 (s), 암페어 (A), 켈빈 (K), 몰 (mol), 그리고칸델라 (cd) 로나타내는데, 괄호속은단위를나타내는기호이다. 이기본단위들의

16 조합으로유도단위가만들어진다. 예를들면, 속력은유도량인데이는길이와시간의조합으로구성되며그단위는 m/s 로표시한다. 유도단위중에는특별한명칭을가진것이있다. 예를들면, 유도량인힘을기본단위로표시하면 kg m s -2 인데, 이것은너무복잡하므로별도로뉴턴 (N) 이라는명칭과단위로나타낸다. 이런식으로특별한명칭을가진유도단위로는주파수의헤르츠 (Hz), 에너지의줄 (J), 전하의쿨롬 (C), 조명도의럭스 (lx) 등과같이현재는 22개가있는데, 앞으로더늘어날것으로전망된다. 양과단위에관한국제기구이런기본량, 유도량, 기본단위및유도단위들은국제적으로협의를통해만들어진다. 양과관련된국제기구로는 ISO( 국제표준화기구 ) 와 IEC( 국제전기기술위원회 ) 가있다. 단위와관련된국제기구로는 CGPM( 국제도량형총회 ) 가있고, 그산하에 CIPM( 국제도량형위원회 ) 및 BIPM( 국제도량형국 ) 이있다. ISO/IEC에서다루는 7개의기본량을기반으로한시스템을국제적양의체계 (International System of Quantities; ISQ) 라고부른다. 그리고 7개의기본단위및유도단위를포함한계를 국제단위계 (Le Système international d'unités; SI) 라고부른다. 이런식으로국제적으로통일된양과단위를사용하면지식과정보를공유하기쉽고, 무역과상거래가편리해지는장점이있다. 그런데이런국제단위계를채택하지않은나라들이있다. 미국과영국이대표적인데, 이나라들도과학기술분야에서는국제단위계를사용하려는경향이있다. 기준으로서의단위, 측정값의불확도측정량을나타낼때기준이되는단위는무엇보다도쉽게변하지않아야한다. 길이의단위인미터 (m) 는 1899년에백금과이리듐이라는귀금속의합금으로만들어진국제미터원기에의해정해졌었다. 이합금은잘변하지않는다는특성을가지고있다. 반면에, 인공적으로만든것은예상치못한재난이나사고로파손될위험이있고, 온도나습도와같은환경의변화에의해원치않는길이의변화가생길수있다. 이런이유로미터의정의는국제미터원기의크립톤원자에서발생하는복사선의파장으로바뀌었다가 1983년에현재와같이빛의속력을기반으로재정의되었다. 즉, 미터는빛이진공중에서 1/299,792,458 초동안진행한경로의길이이다. 여기서분모의숫자는진공에서의빛의속력에해당한다. 이값은아인슈타인의특수상대성이론에서언급된것처럼변하지않는상수이다. 그리고이값의불확도는 0이다. 여기서불확도란같은양을여러번측정했을때그측정값이분산되어있는정도를나타내는것으로, 참값이존재할것으로여겨지는범위를의미한다. 따라서불확도가작다는것은그만큼정확도가높다는것을뜻한다. 불확도가 0인상수는국제적으로전문가들이기준으로정한어떤정확도보다그측정값이더정확하다고판단될때합의를통해결정된다. 이런일을수행하는국제기구는과학기술데이터위원회 (CODATA) 이다. 이기구는전세계적으로기본상수와관련된데이터를수집하고, 그데이터를통계처리하여기본상수값들을결정한다. 상수들의새로운값은매 4년마다발표되는데, 최근에는 2014년에발표되었고, 다음발표는 2018년에있을예정이다. 기본상수를이용한단위의재정의 현재 7 개기본단위는각각나름의역사적배경과특성에따라정의되었다. 예를들어질량의

17 킬로그램 (kg) 은아직도백금과이리듐의합금으로만들어진국제킬로그램원기에의해정의된다. 이것의복사본들을만들어세계여러나라에보급하였으며, 해당국가에서는이들을국가킬로그램원기로사용하고있다. 이복사본은원본과주기적으로비교측정하는데, 그값이세월의흐름에따라서로어긋나고있다는것이밝혀졌다. 원본에대해복사본이변한것으로나타나지만어쩌면원본이변했을수도있을것이다. 이런이유로인해킬로그램 (kg) 단위의재정의에대한요구가오래전부터있었다. 이에 CGPM( 국제도량형총회 ) 은 7개기본단위모두를기본상수를바탕으로 2018년에재정의하기로결정했고, 이를위해세계여러나라의국가측정연구기관에서는수년전부터집중적으로연구를수행해왔다. 그결과, 킬로그램은플랑크상수를이용하여재정의할예정이다. 그리고암페어 (A) 는기본전하를, 켈빈 (K) 은볼츠만상수를, 몰 (mol) 은아보가드로상수를이용하여재정의할것이다. 이에앞서기본단위의재정의에사용하는기본상수들은모두불확도가 0인값으로정의할것이다. 한편, 7개의기본단위중에서 2018년이후에다시정의될것으로예상되는단위가있다. 그것은현재세슘 (Cs) 원자의초미세분리주파수에의해정의되어있는시간의단위인초의정의이다. 시간의단위초는좀더보편적인뤼드베리상수에의해재정의될것으로예상된다. 4. 과학자공동체 과학자공동체과학자공동체 (the scientific community) 는이론적가정과법칙의타당성, 연구진행방식, 정식과학여부를판단하는기준등을포괄하는 패러다임 을공유하는집단이다. 오늘날과학을생산하는전문가집단인과학자공동체는연구규범을준수하고공동체구성원들의과학적주장을검증하고타당화하는등일련의과정에서독자적인역할을수행한다. 과학활동은동료과학자집단의검토와인정을받아야비로소과학의지위에오를수있기때문이다. 사회의다른부분으로부터상대적자율성을확보한과학자공동체는새로제안된과학적담론을공동으로협의하고기존주장이나이론에비추어새로운관점을전문적인입장에서증거와논거에기반을두고검토하고논의한다. 이를통해과학적주장이나담론의정통성과타당성을확보하고관리하는파수꾼역할을한다. 과거의과학자공동체인류가보유한과학지식은그리스시대에시작되었다. 문명시대이전의자연은인류에게위협적존재였다. 너무덥거나너무춥고, 먹을것도부족하여생활환경이나빴고, 가뭄과홍수, 화산과지진등과같은자연재해는순식간에많은죽음을초래하기도했다. 고대그리스시대의자연철학은신이지배한다고믿었던자연현상의원인을자연현상자체에서찾기시작하였다. 자연의변화에대한설명이현대적모습을갖추기시작한것은 17세기무렵이었다. 코페르니쿠스에서시작된천문학혁명은뉴턴의운동법칙으로정점에달했으며, 이러한일련의사건들은과학적사유의체계로정립되었다. 근대자연과학의시작은귀납적방법에의하여연구되었다. 이방법은많은과학자들이함께자연현상들은관찰하여공통의원리를찾아내는것이다

18 이후과학자들은뉴턴의방법을모델로삼아전기, 자기, 열분야에서새로운사실을알아내었고, 비슷한논리적도구를사용하는사람들끼리집단을형성하면서학문분야가분화되었다. 약 200년전에는물리학, 생물학등을필두로학문분야가형성되었고, 각학문분야는더작은세부분야로나뉘어졌다. 과학자공동체들이활용한주된연구방법은복잡한문제를보다단순한조건의문제로나누어, 문제의가장중요한본질을해결하는분석적방법이었다. 그당시의대부분의과학연구는개인연구자수준에서산발적으로수행되었지만, 이전과학자들의관찰을참조하는방식의협력적결과물이었다. 현재의과학자공동체 20세기초에과학은상대론과양자역학으로대표되는또한번의커다란혁명을경험한다. 상대론은아인슈타인 (A. Einstein) 이 10여년에걸쳐독자적으로정교화하였지만, 인간의자연에대한이해를완전히바꾼양자역학의경우는수십명의과학자들이약 30년동안모여서논의하고협력하면서만들었다. 과거의환원론적방법역시한계에부딪혔다. 전체를세부구성요소로나누고, 각구성요소를이해하면전체를이해할수있을것이라는생각의한계가드러났다. 즉, 각구성요소를이해해도전체에는각구성요소의단순한총합과는다른새로운현상이나타났다. 예를들어인체의근골격, 내장과순환계를이해하더라도생명이어떻게나타나는지를이해할수는없었다. 여러구성요소가모일때전혀예기치못했던현상이나타나는창발현상은또다른차원의이해를필요로한다. 이런종합적이고총체적인이해를위해보다다양한전공분야의과학자들이협력하여과학지식을공동으로생산할필요성이대두되었다. 즉소수의우수한과학자의능력이중요했던과거와는달리현대사회에서는다양성과독립성을가진여러과학자집단의통합된지성이보다중요하게되었고, 이를위해과학자공동체가필수적인도구가되었다. 미래의과학자공동체미래사회는현대보다정보나지식의생성과공유측면에서양적및질적증가가매우빠르고방대하게일어날것으로예측된다. 과거의산발적인협력은자발적인소규모그룹활동이나공공적인학회나국가지원아카데미활동등에의한협력이었다. 그러나미래에는학문분야와연구방법등이더욱세분화, 전문화될뿐만아니라, 융합적성격을지닌학문들도더욱더발전하게될것이다. 이러한변화는과학활동이나연구에도크고작은영향을미칠것이다. 즉미래의과학활동및연구에서는더욱대규모로융합되고, 창의적인문제해결의집단능력과집단지성등이더욱강조되므로, 과학발전을위한과학자공동체의역할이보다더중요해질전망이다. 그리고과학자공동체의역할은보다다양하고폭넓은형태로이루어질것이다

19 <3 범주 > Ⅲ. 과학의방법 도입 : 과학은결과로서의지식만이아니라과학이무엇이고과학을어떻게하는지도포함한다. 즉, 과학은과학적방법과사고, 과학역량과태도등으로특징지을수도있다. 과학의방법으로대변되는과학탐구, 실증적과학연구방법, 과학탐구를기업교육과평생학습의맥락에서재해석한과학과핵심역량, 과학에대한태도와과학적태도를포괄하는과학태도등은그자체로과학교육의목적이기도하다. 즉, 과학과의실험설계및가설설정능력, 과학적증명과경험적증거에기초한설득의능력, 과학적근거의타당성분석능력등과같은탐구능력과과학태도, 과학의핵심역량등은그자체로과학지식과더불어과학교육을통해학생들에게길러주어야할과학소양에해당한다. 제 3장에서는과학적방법과사고, 과학역량과태도를살펴보고, 이러한과학적인식방법과탐구방법이다른학문분야에서어떻게활용되고있는지를살펴본다. 과학적방법과사고 에서는과학적탐구방법과과학적사고등에대해논의한다. 즉, 귀납적방법, 연역적방법, 가설-연역적방법등과같이연구의주제와목적에따라다양하게활용하는과학적방법을살펴본다. 과학적방법의근간이되는과학적사고에서는동전의양면과도같은비판적사고와창의적사고를살펴보고, 이들과학적사고를문제해결에어떻게활용하는지를논의한다. 다른분야속의과학방법 에서는실험이나현장조사등을특징으로하는자연과학의실증주의적연구방법의특징을살펴보고, 자연과학이외에심리학, 고고학, 예술, 체육등자연과학이외의분야에서활용되는과학적방법의예를살펴본다. 자연과학, 사회과학, 인문과학등과같은영역구분을막론하고과학으로분류되는까닭은그인식방법과탐구방법이과학적이라는공통점때문이다. 이어서사회를과학적으로탐구하는사회과학과자연과학의차이, 과학지식의사회적구성을파악하려는과학사회학등에대하여논의한다. 과학역량과태도 에서는핵심역량, 과학과핵심역량, 과학태도등에대해살펴본다. 즉학교교육에서강조하는핵심역량의등장배경과의미, 과학과핵심역량의요소와특징, 과학태도의요소와특징등에대하여다룬다

20 1. 과학적방법과사고 과학적방법과학적방법이란, 관찰과경험을바탕으로어떤자연현상의원리를이해하기위해사용하는방법이다. 지금은일반적으로받아들이고있지만 500여년전만해도서양의지식인들은경험적관찰을그대로받아들이는데회의적이었다. 고대그리스시대이래로연역법이라고부르는방법에의해 진정한이해는가장보편적지식이나기준의명제를전제로하여논리적형식에따라추론하여새로운명제를도출 하는것이었다. 갈릴레오 (G. Galilei) 는자연현상, 특히역학문제를수학적-연역적 (mathematical deductive) 으로설명하는방법을사용했으며, 데카르트 (R. Descartes) 가이를더욱정교화하였다. 그러나베이컨 (F. Bacon) 은자연현상의이해를위하여귀납법 (inductive method) 이라고불리는새로운방법을제안하였다. 베이컨은수학적접근법과연역적논리의유용성을불신하였으며, 자연현상을연구하는방법은기본적으로실험적이고, 질적이며, 귀납적특성을지닌다고보았다. 귀납법은다양한경험과관찰을통하여각각의특수한사례로부터공통적인원리를얻는방법으로근대이후과학연구의기본적인방법이되었다. 귀납법에서는관찰과경험을통하여가설을설정한후, 경험적사실을통해그가설의진위를판별함으로써일반적인원리를도출해낸다 ( 혹은귀납법에서는관찰과경험을통하여가설을도출한후, 가설을검증할수있는실험을수행하고반복되는검증을통과하면이가설을원리또는이론으로인정한다 ). 20세기들어경험주의의귀납적방법과합리주의의연역적방법에내재된문제와한계를극복하기위해등장한논리실증주의와반증주의에서는가설-연역적 (hypothetical inductive) 방법을제안하였다. 가설-연역적방법은자연현상에서변인들사이의인과관계를확인하기위해수행하는연구나탐구에서적용되기도한다. 이방법은전제를참으로가정하고연역하는연역법과달리가정된전제를통하여연역된결과를경험또는실험을통하여전제의진위를판단한다. 오늘날에는주제와연구의목적에따라귀납적방법, 연역적방법, 가설-연역적방법등과같은과학적방법을선택적으로사용하고있다. 과학적사고과학적사고 (scientific thinking) 는과학적방법의근간이되는것으로, 과학적연구나탐구에서추론할때이용되는정신적과정, 혹은과학에서널리이용되는특수한유형의추리를말한다. 과학적사고는귀납 연역 비유 문제해결 인과추리등과같은인지적작용과관련이있다. 과학적사고는논리적사고와창의적사고등을근간으로하며, 비판적사고도과학적사고의한유형이다. 논리적사고란, 문제와해결을논리적절차와규칙에따라생각하는과정을뜻하며, 논리적사고는귀납적 연역적사고를필요로한다. 비판적사고는논리적사고를근간으로한다. 창의적사고란기존의지식을바탕으로새로운아이디어, 작품등을산출하는사고능력으로, 창의적사고에는분석력, 종합력, 평가력등이필요하다. 대부분의선진국에서수십년전부터과학교육의목표의하나로창의적사고를강조해왔으며, 우리나라에서도 2009 개정교육과정에서부터창의적사고를강조하고있다. 비판적사고는믿음이나행위를결정하기위한합리적이고반성적인사고이며, 더나아가생

21 각을더잘하기위해생각에관해생각하는사고를가리킨다. 한편, 비판적사고는수렴적사고인반면, 창의적사고는발산적사고로간주되기도한다. 비판적사고는현행과학과교육과정에서강조하는창의적사고, 특히좁은의미의창의적사고와명확히구분된다. 2) 비판적사고와창의적사고는별개의것이아니라동전의양면과같아서실제문제해결에함께작용한다. 예컨대창의적산출물을만들려면, 먼저발산적사고과정을통해새롭고독창적인아이디어를생성한다음, 비판적 ( 수렴적 ) 사고과정을통해생성된아이디어들중에서최선의아이디어를선택한다. 이러한특성을지닌비판적사고는과학윤리와관련된문제의해결에기여할수있다. 2. 다른분야속의과학방법 과학이외분야와과학적연구방법자연과학이외에사회과학은물론심리학, 고고학, 예술, 체육등의분야에서도자연과학의방법을활용한다. 자연과학은무작위로선택된다수의사례들에대한연구를통해도출된, 확률에근거한보편적이고객관적인과학을추구한다. 흔히실증주의자라고불리는자연과학의연구자는수학적모델, 통계표, 그래프등을사용하며, 대개는개인의감정을섞지않은객관적인 3인칭의문체로연구결과를표현하고보고서를작성한다. 자연과학의연구방법은현상관찰이나문제점인식으로부터특정가정을전제로하는가설을수립한후, 실험이나현장조사를통해가설을검증하여이론이나명제로확립하거나가설을기각하는것을특징으로한다. 여기서실험과인위적조건통제가능성여부와현실조건과의근접성여부등에따라설명력에서차이가발생한다. 예컨대심리학의연구방법중가장중요하게사용되는방법은실험법으로, 이는원인과결과에관한가설을검증하는가장강력한과학적방법이다. 실험법에서는인위적으로통제된조건을갖춘상태에서연구하고자하는변인을체계적으로변화시킨후그효과를측정하는방법이다. 이밖에도심리학에서는조사연구법, 관찰법, 면접법등을활용한다. 사회과학중에서가장정밀한연구방법을갖추고있다고말하는경제학에서는복잡한경제활동에서특정한규칙성을발견하여경제현상의원인과결과를탐구하고예측하는것을목표로한다. 따라서경제학에서는연구방법으로주로현실경제에서수집한통계자료에입각하여어떤가설이타당한지를검증하는연구방법을사용하며최근에는컴퓨터에의한시뮬레이션의방법을사용하기도한다. 고고학은지표조사와발굴조사등과같은현장조사방법을활용하며, 연대결정을위해나이테연대측정방법이나방사성탄소연대측정방법과같은절대연대측정방법과층서학 ( 層序學 ) 과같은상대연대측정방법을활용한다. 전통적고고학의귀납적접근을비판하면서등장한신고고학에서는미리연구가설을세우고발굴을통해과학적인검증과정을거치며, 컴퓨터와통계학의활용등과같은과학적분석방법을적극적으로응용한다. 2) 비판적사고는수렴적사고 (convergent thinking, 혹은수직적사고 ) 인반면, 창의적사고는발산적사고 (divergent thinking, 수평적사고 ) 로간주되기도한다. 한편, 창의성 을포괄적인용어로사용할경우, 수렴적창의성 ( 기호적사고, 분석적사고, 추론적사고, 종합적사고, 대안적사고를기반으로하는창의성 ) 과발산적창의성 ( 발산적사고와상징적사고를기반으로하는창의성 ) 으로구분하기도한다

22 미술품과문화재를발굴, 보존, 감정하는데도방사성탄소연대측정방법, 방사선조사기술을이용한멸균과강화작용, 다중분광촬영등의과학적방법을활용한다. 체육에서도인체의움직임을규명하고응용하기위해과학이론을적용할뿐만아니라, 인간의신체활동이나움직임에관한문제해결이나이론생성을위해과학적탐구방법을활용한다. 이렇듯다양한학문분야에서과학적방법을차용, 활용하고있다. 사회를과학하는방법과과학지식의사회적구성과학은연구대상에따라자연과학, 인문과학, 사회과학으로구분할수있다. 영역구분을막론하고과학으로불리는까닭은그인식방법과탐구방법이과학적이라는공통점때문이다. 그러나자연과학은객관적자연세계를대상으로인과관계를규명하여주어진현상을설명하고나아가미래를예측하는것을목적으로하는반면에, 사회과학은예측보다는언어와같은상징체계의법칙에따라의사소통하고상호작용하는것을목적으로한다. 따라서영역에따라이론이나명제를도출하는과학적엄밀성에서차이가나기도한다. 연구방법측면에서비교적자유로운인문과학과는달리, 사회과학은자연과학과마찬가지로관찰가능한정보를바탕으로지식을생산하고축적하는것을목표로한다. 예컨대심리학, 인지과학, 뇌과학등과같은사회과학의경우사람들사이의상호의존관계와이러한상호의존관계를통해나타나는개인적, 집단적특성이나행동의원리와메커니즘을밝히기위해과학적방법을사용한다. 이처럼개인의통찰이나역사적사례를통해인간과사회에대한통찰을얻으려고했던사회과학은지식의축적을가능케하는과학적방법을접목하면서과학적절차에따라이루어지는지적활동으로서과학의분야로정립된다. 즉, 데이터수집과이론구축과정등에서과학적절차를이용하면서개인과역사의통찰을넘어선사회과학적지식의축적이가능하게되었다. 사회과학이접목한과학적방법은사회현상에관한사실적데이터를수집하되표준화된절차를따라재현가능한형태로유의미한데이터를수집하고, 특정현상들사이에발견된상관관계가인과관계를의미하는것인지를검증하며, 원인에서결과가도출되는과정이나메커니즘을밝히는일련의과정을특징으로한다. 자연과학의연구방법을활용하는경제학, 사회학, 인류학등의경우에도기존명제에일정한가정이나조건을전제하고, 그런가정이나조건이충족될경우발생할가능성이상당하다는정도로예측하기도한다. 연구대상과연구방법에따라다른학문분야속의과학방법은차별화된다. 즉, 역사적자료혹은실험적발견에의존하는지, 질적혹은양적방법을어떻게활용하는지, 기본법칙과전제들을어떻게활용하는지등에서사회과학과자연과학은차이를나타낸다. 자연과학연구자는객관적이고보편적인일반화에초점을맞추므로세부사항에는별다른관심을두지않는다. 자연과학을대변하는실증적, 양적연구에서는자세한세부사항들이일반화된결과의도출을오히려방해하므로, 풍부한세부사항에의도적으로무관심한반면에, 사회과학분야의연구에서는사회적현상및세상에대한풍부한기술및묘사에가치를두면서질적연구를접목하기도한다. 한편, 자연과학의지식생산양상과과학자공동체의역동적인구조의존재양상을파악하려는과학사회학의전개와더불어과학적지식구성에영향을주는사회문화적측면의정체와비중을점검하기도한다. 지금은과학자들스스로과학에대한정치 경제학적이슈가연구에영향을미친다는것을인식하고있다. 아울러지금처럼과학이인간과사회는물론생태계에

23 엄청난영향력을행사하는상황에서, 과학이사회에미치는영향을체계적으로분석하고그대 응방안을모색하려는노력도필요하다. 3. 과학역량과태도 핵심역량 21세기미래사회대비의일환으로과학교육은물론모든학교교육을통해강조하는교육정책의키워드중하나가핵심역량 (key competencies) 3) 이다. 핵심역량은개인으로또는사회의구성원으로서행복하고성공적인삶을영위하기위해누구라도기본적으로갖추어야할보편적능력을가리킨다. 국내외를막론하고교육경쟁력이곧국가경쟁력의원천이된다는점에서현재및미래사회에요구되는학습자의핵심역량을찾아내고, 이를학교교육을통해실현하려는정책을추진하고있다. 핵심역량개념의출발점은경제협력개발기구 (OECD) 의 DeSeCo(Definition and Selection of Competencies) 프로젝트이다. OECD는 1997년부터 2003년까지개인적차원의성공적삶과사회적차원의발전에기여할수있는 21세기형인간에게요구되는핵심역량을규명하기위해 DeSeCo 프로젝트를추진하였다. 완성된 DeSeCo 프로젝트보고서에서는핵심역량을 직업적상황을포함한삶의상황에서발생하는요구를개인의인지적, 심리사회적특성을동원하여성공적으로대처해나가는능력 으로정의하였다. 그리고개인적차원의성공과사회적차원의성공이라는학교교육의두가지목적을근거로핵심역량의구성요소를제안하였다. 세계여러나라에서 OECD DeSeCo 프로젝트에서발표한핵심역량을중심으로국가교육과정을재구조화하는작업을추진하였다. 한국의경우 2015 개정교육과정을핵심역량을반영한교육과정으로재구조화하였다. 과학과핵심역량우리나라를비롯하여세계각국에서는학교교육을통해핵심역량을길러주기위해역량중심교육과정을강조한다. 교과별로도교과의성격, 교과고유의논리체계나구조등을고려하여, 교과교육을통해학생들에게기대되는혹은길러져야할핵심역량을선정한다. 우리나라의 2015 개정과학과교육과정에서는과학과핵심역량으로과학적사고력, 과학적탐구능력, 과학적문제해결력, 과학적의사소통능력, 과학적참여와평생학습능력등을선정하였다. 과학과의역량개념은과학탐구의형태로구현되어과학적사고력, 추론능력, 표상과의사소통등의역량을강조한다. 과학과핵심역량은 오래된미래 로, 지식이학습되는학교교육맥락에서가정하고있던인식론적틀이바뀐것으로볼수있다. 과학과핵심역량의특성을살 3) ( 핵심 ) 역량이라는표현은역량중에서특정영역에서특정인이필요로하는주요역량또는일반적인역량들에비해서특히강조되어야할역량임을나타내기위해 핵심 (key, core) 을붙여서표현하기도한다. 핵심역량에대한정의는나라마다, 학자마다조금씩다르며, 역량에관한영어표기도제각각이다. OECD 를포함한유럽에서는 competence 로, 뉴질랜드와싱가포르등에서는 competency 로, 스코틀랜드에서는 capacity 로, 미국의 P21(The Partnership for 21st Century Skills, P21) 에서는 skill 로표현하고있다 ( 이찬승, 2015: 1)

24 펴보면, 과학과핵심역량은다차원적이고총체적인개념으로, 인성역량, 지적역량, 사회적역량등을포괄한다. 즉, 과학적문제해결력, 과학적참여와평생학습능력등과같은과학과핵심역량도지적측면뿐만아니라, 자율적실천의지와실천역량까지포괄하는통합적, 다차원적이고총체적인개념이다. 또한, 과학과핵심역량은과학과내용지식을전제로하며, 학습가능한능력이다. 과학과핵심역량을규명함에있어서환원주의적사고를경계할필요가있다. 과학과핵심역량을추출하고목록을작성함에있어서, 과학과를통해길러주어야할핵심역량의총체를몇개의상호배타적인구성요소로구분하여기술할수있다거나명료화해야한다는등과같은환원주의적사고를경계해야한다. 더중요하거나덜중요한핵심역량이있는것이아니라, 과학교과를통해더잘길러줄수있고중점적으로관심을기울여야할핵심역량이있을뿐임을명심해야한다. 미래사회는백과사전적지식이나앎의형태에머무는지식으로는충분치않으며, 과학소양으로서핵심역량함양을필요로한다. 즉, 과학에서학습한앎이나지식을올바르게인지하고판단하며, 이를실제상황에적용하여문제를해결하거나실천으로옮기며, 실제맥락에적합한지식을생성하고창출할수있는핵심역량개발을목표로한다. 따라서학교안팎의과학교육을통해과학개념과아이디어를활용한추론능력, 추론에대해효과적으로의사소통하는능력, 주어진지식과시간을효과적으로활용하는능력등과같은과학과핵심역량을함양해야한다. 과학태도과학태도는과학에대한태도와과학적태도두가지를포함하는개념으로사용한다. 과학에대한태도 는일반인이과학이나과학자에대해지니고있는과학의사회적의미와가치인식으로서의태도를의미한다. 그자체로과학교육의목적중하나인 과학적태도 는자연세계에대한정보를얻는방법으로서의과학적현상과탐구에대한태도와관련된것이다. 과학적인사람혹은과학자를과학자로만드는특성은호기심, 개방성, 객관성, 비판적사고등의태도로간주된다. 과학소양으로서과학태도는주로과학적태도를의미하며, 개방성, 호기심, 객관성, 계속성, 비판성, 신중성과판단유보, 정직성, 준비성, 협동성, 호기심, 겸손, 근면성, 긍정성, 논리성, 창의성등으로구성된다. 하지만연구자에따라세부구성요소는달라지기도한다. 일부과학적태도요소의의미를살펴보면다음과같다. Ÿ 개방성은자신의주장을변경하거나반대견해나결론도기꺼이수용하며새로운사실, 방법, 아이디어등을추구하는태도를의미한다. Ÿ 객관성은결론을내리기전에자연현상의관찰은개인의경험이나이론에의존할수밖에없음을인식하고자신의주관적인생각에치우치지않으면서되도록많은자료를수집하여타당한근거로결론을내리려는태도를말한다. Ÿ 자발성은타인의권유와강요에의해서가아니라, 스스로흥미와관심있는일을찾아참여하여적극적으로해내는태도를의미한다. Ÿ 신중성은확실한근거에의하거나자신의주장이옳다고인정되지않는한성급히판단하거나결론을내리지않는태도를의미한다. Ÿ 정직성은어떤결과나일을왜곡하거나선택적으로취하지않고사실그대로나타내는태

25 도를의미한다. Ÿ 준비성은어떤일에대하여준비가부족하여실패하거나급하게하지않고필요한것을미리준비하는태도를의미한다. Ÿ 협동성은주관적이거나독단적으로일을처리하기보다여러사람들과어울려서일을하는태도를의미한다. Ÿ 호기심은새로운것에대한경험을좋아하며궁금한것이있으면그냥지나치지않고질문을하거나그원인을알아보는태도를뜻한다. Ÿ 계속성은한번시작한일은중도에어려움이있어도포기하지않고계속적으로해결하고노력하는태도를의미한다. Ÿ 비판성은기존의권위나다른사람의주장을비판없이수용하기보다는특정의견이나결론에대해옳고그름을판단하는태도를말한다. 이러한특징을지닌과학적태도는학생이과학을통해학습하고갖추어야할주요교육목표 로, 일상생활은물론과학적문제해결상황에서합리적이고증거에기초한의사결정을가능케 할것으로기대한다

26 <4 범주 > Ⅳ. 물질계 도입 : 오래전부터인류는우주가어떻게구성되었는지, 우주를구성하는물질은무엇이며어떻게생성, 진화하였는지, 우주가어떤원리로돌아가는지등에대하여지속적인관심을가져왔다. 그리고이에관한다양한연구들을끊임없이수행하여우주의구조와원리에대하여상당한성과를이루었다. 이장에서는우주의전반적인구조및우주의작동원리에대하여소개한다. 먼저우주의구조는규모에따라물질의기본구조, 물질의상태, 지구와우주의순으로구성하였다. 물질의기본구조에서는물질의근원과물질을이루는입자로서의소립자, 원자, 이온, 분자, 신소재등으로분류하여기술하였으며, 물질의파동성에대하여설명하였다. 물질의상태에서는물질의기본상태인고체, 액체, 기체와함께액정과플라즈마에대하여구조적특징과성질을소개하였다. 지구와우주에서는인간의우주에대한이해의시작, 우주의역사와미래, 빅뱅우주론과우주의가속팽창, 태양계의형성및지구에서의생명현상등을설명하기위해만든우주모델을중심으로내용을구성하였고, 지구계의의미와구성요소를간략하게기술하였다. 우주의작동원리는물질사이의힘, 물질변화의규칙성, 지구계와상호작용으로세분하여내용을구성하였다. 물질사이의힘에서는다양한규모의입자및물질사이에작용하는힘인중력, 전자기력, 강력과약력등에대하여소개하였다. 또한, 이힘들과운동의관계및이를통일된방식으로설명하고자하는통일장이론에대하여소개하였다. 물질변화의규칙성에서는원소의주기성, 물질변화의종류와특성, 물질변화의규칙성등과같이자연계에작용하는규칙성을다루었다. 지구계와상호작용에서는지구계의구성요소들의상호작용과진화등의내용으로구성하였다

27 1. 물질의구조 물질의근원오래전부터인류는무엇이물질을구성하는지에대하여궁금증을가져왔으며, 고대그리스의 4원소설을시작으로이를설명하기위하여지속적으로노력해왔다. 우리주변에있는물체들은다양한물질들로만들어지며, 물질은상대적으로적은종류의기본물질인원소들이서로다른방법으로결합한것이다. 지구와생명체를비롯한우주의구성원소들은빅뱅과별의진화과정을통해만들어졌다고추정하고있다. 즉빅뱅초반에기본입자가만들어졌고, 이기본입자로부터수소와헬륨이생성되었으며, 별의진화를통해수소와헬륨보다무거운원소가생성되었다. 현재까지는약 100여개의화학원소가존재하는것으로알려져있으며, 그중우주에풍부하게존재하는것은일부이다. 우리몸을이루고있는주요원소는수소뿐만아니라탄소, 질소, 산소, 철등인데이러한원소들은별내부의핵에서핵반응에의하여생성된다. 철보다무거운우라늄과같은원소는초신성의폭발에의하여생성된다. 따라서우리가살고있는지구와우리몸을이루는원소들은우주의탄생초기부터그리고별의내부에서그리고초신성폭발에의해만들어진것이다. 물질을이루는입자 19세기의원자론은 20세기에더욱정교하게발전되어물질을이루는소립자의세계를이해하는데기초가되었다. 물질에대한현대이론의기본전제는원자가여러종류의기본입자들로이루어져있고, 원자들이서로결합하여물질을만든다는것이다. 물질을이루는기본입자를소립자라하는데, 이들의종류와관계는소위표준모형으로잘설명할수있다. 소립자의종류에는강입자 (hadron) 와경입자 (lepton) 가있다. 핵을이루는양성자와중성자는강입자이고, 전자와중성미자는경입자에속한다. 비교적질량이큰강입자는더작은쿼크들이모여만든다. 쿼크는 6가지종류가있으며 3개의쌍으로분류하고있다. 쿼크는특이하게분수전하를갖고있으며, 색소전하라는또다른종류의물리량도갖고있다. 경입자는더작은구성요소가없다. 이들이모여 100여가지의원자를이룬다. 각원자는양전하로대전된원자핵과음전하로대전된전자로구성되어있는데, 핵이중심에있고전자는원자핵주변에존재하고있다. 원자를잠실야구장크기로확대시키면핵은그안의모래알크기밖에안된다. 한편, 핵은원자부피의매우작은부분만을차지하지만원자질량의대부분을가지고있고, 전자가존재하는공간은원자부피의상당부분을차지하지만질량은거의무시할수있다. 한중성원자안에들어있는전자의수는핵안의양의전하로대전된입자인양성자의수와같다. 양성자의수에따라우주에는 100여가지의원자가존재한다. 핵안에는전기적으로중성이고질량은양성자와비슷한중성자가있는데, 원자의질량수는양성자수와중성자수를합한것이다. 이로인하여같은원소라고하더라도중성자수가달라질량수가다른원소들이존재하는데이를동위원소라고한다. 동위원소들은화학적성질은같다. 원자, 분자, 신소재 각원자는중성인데에너지를받으면원자의가장밖에있는전자가분리되어양이온을형

28 성하고, 에너지를받아전자를얻으면음이온을형성한다. 원자안에있는전자가어떻게배치되어있는지에따라원자가다른원자와결합하는성질이크게달라진다. 한원자에서다른원자로전자가이동하거나두원자가전자를어느정도공유하면결합이만들어진다. 이때원자가상대적으로적은수로일정한규칙에따라결합하면분자, 반면많은수가단순한대칭성을가지면서공간을차지하면결정이된다. 분자는산소분자처럼같은종류의원자두개가결합한단순한것부터, 수십개의원자가결합한것, 그리고단백질이나 DNA 분자처럼수천, 수만개의원자가결합한것까지다양하다. 또한분자의크기도매우작은것부터큰것까지다양하다. 대부분의거대분자들은원자나분자수준에서단위체를만들고이들이일정한규칙으로모여형성된다. 결정을이루는고체의경우, 원자의가장밖에있는전자들을공유하는결합을하면금속결합이형성되고, 그공유된전자들이물체의내부를비교적자유롭게돌아다닐수있게된다. 이렇게만들어진물질은거의도체다. 한원자가다른원자에게거의전자를빼앗기다시피결합되면이온결합이형성되고, 이렇게만들어진물질은거의부도체다. 두원자가각각 1개의전자를내놓아만든전자쌍을동시에공유하면공유결합이형성된다. 이렇게만들어진물질은거의부도체나반도체가된다. 인류는자연계에존재하는물질을인공적으로만들거나존재하지않는새로운물질과새로운성질을가진물질을만들어내기도한다. 즉최근에는나노기술이발전하면서, 나노미터 (10-9 m) 크기의소자를제작하거나, 인공적으로설계된분자를합성하여새로운물질을개발하고있다. 대표적인예가탄소나노튜브와그래핀이다. 탄소원자가벌집모양으로연결된판한장이그래핀이고이것이관으로말린것이나노튜브다. 이들은무게에비해매우단단할뿐만아니라, 도체, 반도체, 부도체로가공할수있어, 새로운응용분야를개척하고있다. 물질의파동성파동은한장소에서의진동이매질을통해공간으로퍼져나가는것을말한다. 파동에는수면파, 음파, 지진파, 전자기파등이있고, 이들은진동수, 파장등을사용해수학적으로기술할수있다. 파동은새로운매질을만나면굴절되어방향이바뀌거나, 매질경계면에서반사되기도한다. 작은구멍이나장벽을만나면에돌아가면서퍼지기도한다. 예를들어관악기는양쪽이열린관이나한쪽이닫힌관을이용하여음파의진동수를조정하면서만든다. 공기의흐름이강해지면서배진동이일어나면진동수가두배가되고, 음은한옥타브가올라간다. 파원이나관측자가움직이면진동수가달라진다. 즉둘이접근하면측정되는진동수가커지고, 멀어지면작아진다. 이를이용하면파원이나관측자의속도를알수있고, 이기술은기상관측, 자동차속도측정, 우주의팽창속도측정에이용된다. 전자기파는매질없이전달되는특별한파동이다. 전기장과자기장의진동이빛의속도로퍼져나간다. 파장이줄어듦에따라장파, 단파, 초단파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선등으로불린다. 파장이줄어들면전자기파가운반하는단위에너지가커지고, 에너지에따라물체와상호작용하는성질도달라진다. 예를들어식물의잎은광합성을위해빨강색과파랑색을흡수하고, 초록색을반사시키기때문에초록색으로보인다. 대기권에있는이산화탄소층은태양에서오는가시광선은모두통과시키지만, 지표면에서복사되는적외선을흡수한다. 이산화탄소층이없으면우주로방출되었을에너지를다시지구로되돌리기때문에온실효과를

29 유발하는것이다. 대기권에있는오존층은에너지가높은자외선영역의빛을흡수하여지구의생명체를보호한다. 가시광선은우리눈이주변의모습을감지하기위해사용하는전자기파의좁은영역으로파장이약 0.4 μm에서약 0.8 μm범위이다. 우리의감각능력을확장하기위해또는기록하기위해여러가지광학기기들이개발되었다. 예를들어망원경은먼곳의물체를가까이보여주고, 현미경은작은물체를확대해보여준다. 카메라는순식간에사라지는모습을기록해준다. 이런능력의확장은최근에더욱광범위하게일어나고있다. 우주를바라보는망원경은적외선과자외선등다양한파장대의사진도찍을수있고, 현미경은빛대신전자나기계적인탐침을사용하여배율을 10,000배정도늘렸다. 원자의크기인 1A (10-10 m) 정도의아주작은세계에서입자의행동은우리가일상생활에서보는입자와는성질이다르다. 전자는파동의성질이있기때문에동시에여러곳에존재할수도있다. 이때문에원자핵주변에전자가구름처럼퍼져있다고말한다. 파동의성격은파동이높은에너지장벽을통과해지나가게할수도있다. 이를이용하면, 1A 의구조까지볼수있는정밀한현미경을만들수도있다. 2. 물질의상태 물질의세가지기본상태와상태변화분자가만든물질의밀도및분자사이의힘의종류와세기에따라물질의거시적인물리적성질이정해진다. 온도와압력등의외부조건이바뀌면거시적인물리적성질이변하는데, 특정한조건에서불연속적변화를보이며상전이가일어나다. 대부분의변화는열역학적으로안정된상태로변화하지만, 열역학적으로불안정하지만반응속도가매우늦은경우준안정상태로오랫동안존재할수도있다. 이런특징에따라물질의상태는기본적으로고체, 액체, 기체로구분되고있다. 고체상태에서입자 ( 원자, 이온, 분자등 ) 들은정해진자리에거의고정되어진동운동만할수있으며, 입자사이의인력이강하여입자사이의거리가입자의지름에비해서매우짧고조밀하게배열되어있다. 이로인하여고체는외부온도나압력변화에따라부피와모양이거의변하지않는성질이있다. 고체물질은구성입자의배열의규칙성정도에따라결정성고체와비결정성고체로구분된다. 즉구성입자가매우규칙적으로배열되어있는고체를결정성고체라고한다. 결정성고체는입자사이의인력을끊는데필요한에너지가일정하므로녹는점이일정하다. 그리고결정의기본구성단위와종류에따라원자결정 ( 흑연, 다이아몬드등 ), 분자결정 ( 드라이아이스, 아이오딘등 ), 이온결정 ( 소금, 염화세슘등 ), 금속결정 ( 은, 구리등 ) 등으로구분된다. 한편, 비결정성고체는구성입자가불규칙적으로배열되어있어녹는점이일정하지않아상전이온도를정확히정의하기어렵다. 비결정성고체의대표적인예로는유리, 아교, 엿, 플라스틱, 고무등이있다

30 고체상태에열을가하면구성입자의운동이약간활발해져입자사이를비켜지나갈수있고느슨하지만아직은서로구속되어있는액체상태가된다. 액체상태는고체상태와는달리입자들이부분적으로질서있는운동을하므로, 모양은일정하지않으나부피는일정한성질이있다. 기체상태는구성입자의운동이매우활발하고무질서하고밀도가작다. 기체분자의속도분포는온도와기체분자의질량에따른함수로주어진다. 기체분자사이의거리가액체나고체에비하여상당히크기때문에직접충돌하는경우를제외하고는입자사이의상호작용을무시할수있다. 기체상태는모양과부피가일정하지않은성질이있다. 플라스마기체상태에더큰에너지를가하면음전하를가진전자와양전하를띤이온으로분리된기체상태가되는데, 이것을플라스마상태라고한다. 플라스마는전하분리도가상당히높으면서도음전하와양전하의총전하수가같아전체적으로는전기적인중성을띤다. 하지만자유전하가있어서높은전기전도율과전자기장에대한반응성을가진다. 이러한성질을이용하기위하여오래전부터플라즈마를인공적으로생성및실용화하려는노력이지속되고있다. 인공적인플라즈마상태로는형광등, 수은등, 네온사인, PDP 등이있다. 일상생활에서의인공적인플라즈마생성노력과는달리우주전체에서보면플라즈마가가장흔한상태라할수있다. 예를들어번개, 북극지방의오로라, 대기속의이온층뿐만아니라, 별의내부나별을둘러싸고있는주변기체, 별사이의공간을채우고있는기체가대부분플라즈마상태이다. 액정액정은액체와고체의특징을모두가지고있는물질을의미하며, 어떤방향에서는분자배열이액체상태와같이불규칙하지만다른방향에서는규칙성을나타낸다. 일부유기물질이고체상태에서액체상태로변할때액정과같이중간상태를포함하는단계들을거치기도한다. 액정은온도나전압의변화에따라색, 투명도, 분자배열등이달라지는성질이있어, 최근다양한영역에서폭넓게응용되고있다. 3. 지구와우주 우주에대한이해의시작지구에살고있는인류는하늘에서관측되는태양, 달, 행성, 별과같은천체를관측하여그운행을기원전수천년전부터알았고, 이를자신들의문자로기록하였다. 이러한천체들의운행과함께지구를포함하는우주의시작과시간에따른변화를그들나름의우주모델을만들어설명하였다. 이러한모델은신화적이고, 서사적이었다. 인류는밤하늘의반짝이는천체인별과행성을관측하여, 별들은일정한패턴을유지하며회

31 전함을알게되었다. 별들이만드는일정한패턴에자신들의이야기속에나오는인물이나동물들의이름을붙여별자리를정하였다. 또한, 행성들이이러한별자리사이를빠르게이동함을관측하였다. 더구나달의위상이변함을알아달이지구를공전하고있음을알게되었다. 더구나일식과월식의관측, 태양의고도측정등을통해태양직경, 달의크기및지구에서태양과달까지의거리를개략적으로알게되었다. 문명의발달이후인류는지구가세계의중심이라고믿었고천체가지구를중심으로회전한다고생각하였다. 우리가보는천체는하늘에고정된채회전하는것처럼관찰되기때문이다. 문제는고정된천체사이를누비고다니는태양계의행성들이었다. 근대이후별자리사이를움직이는행성들의움직임을정확하게설명하기위해태양을중심으로하는지동설로대체되었다. 빅뱅우주론과우주의가속팽창관측기술의발전으로우주내의천체의특성을알게되었다. 안드로메다은하가우리은하밖의외부은하라는것을파악하고, 이러한외부은하들이모여은하군혹은더큰규모의은하단을형성하고있음을알게되었다. 1929년허블은외부은하들의거리를세페이드변광성을이용하여측정하고, 시선방향의운동속도를분광관측과도플러효과를이용하여측정함으로써, 외부은하의시선방향운동속도 (V) 가거리 (D) 에비례한다는허블의법칙 (V=HD, 비례상수 H는허블상수 ) 을발견하였다. 이는현재우리가살고있는우주가팽창하고있으며과거로시간을되돌리면우주는하나의특이점으로부터시작하였다는것을상상하게하는데, 이를빅뱅우주론이라한다. 태양계의형성및지구에서의생명현상대략 45억년전에우리은하의나선팔근처에위치해있던태양계성운에서태양계가형성되면서우리가살고있는지구도함께만들어졌다. 지구형성초창기에는지구부근에위치한두원시행성의대규모충돌에의하여지구-달계가형성되었다. 특별히태양계내에서지구의위치는물이액체로존재할수있는생명가능지대에속한다. 더구나지구의자전측이공전궤도면에기울어져있어계절의변화가있고, 태양과달에의의한기조력에의하여해수면의변화를일으킨다. 지구에서의생명이어떻게시작되었는지는확실하지않지만지구에생명이존재하기시작하였고, 화학및생물학적인진화를통하여현재에이른다. 원시지구가진화과정을통하여지권, 수권, 기권등을형성하고그과정에서상호작용이일어나면서지구생명체가탄생하고살아갈수있는환경적조건을갖추었다. 탄산가스로이루어진대기는물의강수현상으로인하여제거되고, 화산활동과광합성작용으로인하여지구대기는주로질소와산소로구성된다. 대양에서의생물은조석에의한해수면의변화로육상으로진출하게되었다고한다. 결국육상으로진출한생물로부터우리와같은현생인류가탄생하게된다. 지구계의구성요소보통지구라하면, 우리가딛고있는땅덩어리로이루어진고체지구를떠올리기마련이다. 그러나지구를이루는것은고체지구뿐만아니라고체지구를감싸는해양과대기그리고그속에서살고있는생물들을모두포함한다. 지구과학분야에서는지구를크게지권, 수권, 기

32 권, 생물권의 4가지권역으로구분하고, 이권역들이상호작용하여지구의모든자연현상을일으킨다는관점에서지구계 (Earth system) 라는용어를쓰고있다. 지권은고체지구로지구의대부분을차지한다. 겉부분은우리가딛고있는땅으로암석으로이루어지며, 지하깊은곳은밀도가높은물질로채워져있다. 수권은물이차지하는공간으로바다, 호수, 강그리고지하수와빙하를포함한다. 기권은고체지구와바다를감싸는부분으로여러가지기체 ( 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소등 ) 로이루어지며, 생물권은생물들이차지하고있는영역을말한다. 지구는엄청나게큰물체이다. 지구는둥글지만사실완벽한구형은아니며, 적도부근이약간볼록한타원체다. 지구내부는층상구조를이루고있으며, 겉에서부터지각, 맨틀, 외핵, 내핵으로구분된다. 고체지구를이루는것은단단한암석이다. 암석은광물로이루어지고, 또광물은더작은알갱이인원소로이루어진다. 현재자연에서산출되는원소는 94종이지만, 지구를이루는원소의 99% 는산소와규소를비롯한 8개의원소가차지한다. 암석은크게화성암, 퇴적암, 변성암으로나누어진다. 화성암은지하에녹아있던물질인마그마가굳어져만들어지며, 퇴적암은지각물질이풍화 침식 운반 퇴적과정을거쳐깊이매몰된후굳어져만들어진다. 변성암은화성암이나퇴적암이지하깊은곳에서높은온도와압력의영향으로만들어지며, 온도와압력이매우높으면이들이녹아다시마그마가된다. 이과정을통해서암석은끊임없이순환한다. 지구의물은대부분해양 ( 수권의 97.25%) 에들어있다. 그다음으로물을많이간직하고있는곳은빙하 (2.05%) 이며, 지하수의양 (0.68%) 도적지않다. 반면에우리의일상생활에밀접하게연결되어있는강이나호수가차지하는비중은모두합해도 0.01% 에도미치지못한다. 그런데물은제자리에있는것이아니라끊임없이움직인다. 마치사람의몸속에피가흘러생명을유지하도록하듯이물은수권 기권 지권 생물권을순환하면서지구의생명을유지하도록한다. 이과정에서물은지표면을깎고다듬어지구의모습을끊임없이바꾸어간다. 지구가다른행성과구별되는중요한특성으로액체상태의물과생물의존재를들수있다. 그러나더깊이생각하면, 생물과물은아마도대기가없었다면존재할수없었을지도모른다. 지구가생명이넘치는행성이된것은태양복사에너지덕분이다. 태양복사에너지는대기속에들어있는기체에흡수되거나지표에도달하여지구를데우고, 식물이광합성활동을하도록함으로써생명이유지되도록한다. 또한, 성층권에오존층을형성하여우주로부터들어오는해로운광선을막음으로써생물이안정적으로살아갈수있도록해준다. 따라서기권은지구를외계의해로운물질로부터막아주는보호막이라고말할수있다. 우리지구는물이있기때문에다른행성과다르다고말한다. 또산소가있기때문에지구는독특하다고도말한다. 하지만, 지구의가장특별한점은무엇보다도다양한생물의존재이다. 생물의분포는기후에따라, 고도에따라, 또수심에따라달라진다. 지구의생물이생명을이어가는것은에너지를이용하여물질대사를하고자손을번식하기때문인데, 이에너지는주로태양에서얻는다. 식물은광합성활동에의하여에너지를만들고, 동물은식물을섭취하거나다른동물을먹어에너지를얻으며, 균류는죽은생물을분해하여에너지를얻는다. 이처럼생물은먹고먹히는먹이사슬을통하여복잡한생물권을형성하였다

33 4. 물질사이의힘 중력우주의모든물체들은서로중력이작용하여잡아당긴다. 중력은두물체의질량의곱에비례하고, 거리의제곱에반비례한다. 종종우리는하나의질량이주변의공간에중력장을형성하고, 다른질량이중력장에놓이면중력을받는다고해석하기도한다. 일반적으로작은물체사이의중력은매우약해서우리가감지하기어렵지만, 천체와같이큰물체주변에서는충분히강해진다. 지구의중력은지상의모든물체를지구중심방향으로잡아당기고, 공기분자도잡아당겨대기권을형성한다. 태양의중력은행성들을잡아당겨태양주위를돌게한다. 더큰규모에서중력은우주의먼지를모아은하를형성하고은하가모여있는은하단을구성하게도한다. 전자기력전기력은전하와전하사이에작용하는힘이다. 같은부호의전하는서로밀고, 다른전하끼리는잡아당긴다. 종종우리는하나의전하가주변의공간에전기장을형성하고, 다른전하가전기장에놓이면전기력을받는다고해석하기도한다. 전기력은원자핵근처에전자를붙들어놓고, 화학반응에관여하기도한다. 옷이몸에달라붙게하기도하고, 번개를만들기도한다. 일상생활에사용하는전기도전하의흐름인전류를만드는전기력에의존한다. 자기력은자석과자석, 전류와전류, 자석과전류사이에작용하는힘이다. 같은부호의자극은서로밀고, 다른자극끼리는잡아당긴다. 종종우리는자석이나전류가공간에자기장을형성하고, 다른자석이나전류가자기장에놓이면자기력을받는다고해석하기도한다. 자기력은냉장고에메모를붙이거나, 냉장고문을문틀에붙게하는데에사용된다. 자석을센서와함께사용하면스위치로사용할수도있다. 나침반에사용되는자석은지구자기장의방향을알려주고, 전동기에사용되는자석은회전운동을만들고, 스피커에사용되는자석은진동을만들기도한다. 전기력과자기력은비슷하게행동할뿐아니라, 비슷한방식으로서로에게영향을준다. 예를들어, 변하는자기장은전기장을만들고, 변하는전기장은주변에자기장을만든다. 따라서전류로운동을만드는전동기를거꾸로적용하면, 운동으로전류를만드는발전기로사용할수있다. 이러한상호영향을고려하여전기력과자기력을전자기력이라부른다. 전자기력은우리가일상생활에서접하는많은접촉력을설명한다. 대부분의물체는전기적으로중성이지만, 미시적인세계에서보면각물체의표면에는전자들이분포한다. 두물체가서로가까워지면양쪽의전자가서로밀어내어두물체는서로밀게된다. 즉, 일상생활에서물체를밀거나당길때나타나는접촉력은접촉면의맨바깥에위치한전자끼리밀어내는힘이므로, 전자기력의일종이다. 접촉력에는물체가맞닿아서로밀고당기는힘, 줄에의해전달되는장력, 두접촉면이미끄러지려할때작용하는마찰력등이있다. 강력과약력강력과약력은원자보다훨씬작은원자핵크기 (10-15 m) 의거리안에서만작용하므로, 일상생활에서는겪을수없다. 강력은핵의구성입자인양성자와중성자사이에작용하며, 서로

34 잡아당긴다. 이때문에핵은아주짧은거리의양성자와양성자사이에작용하는강한반발력을이기고안정적으로존재할수있게된다. 양성자수가많아지면, 전기력에의한반발력을이기기위해더많은중성자가필요하게된다. 약력은강력보다는훨씬약하고, 핵변환이일어날때작용한다. 예를들어, 중성자가양성자로붕괴되거나, 양성자가전자와만나중성자가되는과정에관여하는데, 원자핵안에서이런변화가일어나면양성자수가바뀌면서원자의종류가바뀐다. 핵변환은우연히일어난다. 핵변환을할수있는물질은방사능을지녔다고이야기한다. 퀴리부부는자연물에서방사능을지닌두개의원소를찾아이름을붙였고, 그업적으로노벨상을수상하였다. 2차세계대전직전에과학자들은방사성우라늄의핵이비슷한크기의작은핵으로분리되는것을발견하였다. 이핵분열과정은에너지를방출할뿐아니라, 충분한양의방사성우라늄이주변에있으면연쇄적으로다른핵분열을유도한다. 이연쇄반응이급격하게일어나는것이핵폭탄이고, 서서히일어나도록조절한것이핵반응로이다. 핵분열이만드는산물도대부분방사능을띠고있어, 이를처리하는데에어려움이따른다. 철보다큰핵은분열하면서에너지를내어놓지만, 철보다작은핵은서로뭉쳐지면서에너지를내어놓는다. 이핵융합과정은항성들이끊임없이에너지를방출하도록해준다. 태양에서는양성자 4개가융합되면서, 헬륨원자핵, 에너지, 그리고몇가지부산물을내어놓는다. 핵분열과달리핵융합의부산물은위험하지않다. 핵융합이내어놓는에너지를이용하기위해연구가진행되고있지만, 아직실용적인단계에이르지는못하였다. 힘과운동일찍이뉴턴 (I. Newton) 이제안한고전역학이라불리는이론에의하여눈에보이는정도의물체의운동을기술한다. 물체사이의상호작용인힘은그힘을받는물체의운동상태를변화시킨다. 어떤물체에작용하는힘을모두합한힘을알짜힘이라한다. 알짜힘이없으면물체는현재의운동상태를지속한다 ( 뉴턴의제1법칙 ). 정지해있던물체는정지상태를유지하고, 움직이던물체는같은속력으로계속움직인다. 알짜힘이있으면, 물체의운동상태가바뀐다. 속도의변화인가속도는작용하는힘의크기에비례하고, 힘을받는물체의질량에반비례한다 ( 뉴턴의제2법칙 ). 이러한힘들은몇가지특징이있다. 첫째힘을작용하는주체가있고, 힘을받는객체가있다. 둘째, 힘은크기와방향을가진다. 셋째, 힘을받는객체는거꾸로힘을작용한주체에게같은크기의힘을반대방향으로작용하는데, 이를반작용이라한다 ( 뉴턴의제3법칙 ). 물체의운동은기본적으로물체의위치와속도로기술할수있다. 속도는위치가시간에따라얼마나빠르게변하느냐를알려주고, 가속도는속도가시간에따라얼마나빠르게변하느냐를알려주는양이다. 우주공간은광대하고천체는모두움직이고있기때문에, 정지해있는기준점은정의할수없고, 모든물체의운동은상대적으로만기술할수있다. 정지해있는자동차는지표면에대한속도는 0이지만, 지구자전때문에매초당 460m의거리를움직인다. 속도가커지거나, 작아지거나, 방향이바뀌면, 운동의상태가변하였다고한다. 운동의변화는그물체에작용하는알짜힘에의한것이고, 물체에작용하는힘을이해하면물체의운동을예측할수있다. 20세기초원자를이루는전자와같은입자의운동은고전역학으로기술할수없음을알게

35 되었다. 전자의입자성과파동성을동시에만족시키면서운동을기술하는역학체계인양자역학이고안되었다. 양자역학은모든물체의변화를기술하는체제로서고전역학은양자역학체제의일부이다. 그리고뉴턴의고전역학체계에서 3차원공간과시간의상호독립적이면서절대기준이었던기본가정은상대성이론에의하여시공간차원으로통합되어빛의속도가절대기준이되었고중력도공간의변형으로이해되었다. 통일장이론이세상의모든변화는물질사이의상호작용에의해이루어지며, 물리학이인정하는상호작용은앞서언급한중력, 전자기력, 강력, 약력 4가지뿐이다. 중력과전자기력은일반사람들에게는익숙하나, 강력과약력은다소생소할수있다. 중력은천체의구성을지배하고, 전자기력은우리의일상생활곳곳에나타난다. 강력과약력은원자가존재하게하고, 핵의변환을지배한다. 아인슈타인 (A. Einstein) 은이러한 4가지힘을하나의통일된방식으로설명하고자하였다. 소위통일장이론이라불리는이이론은아직완성되지않았다. 전자기학과약력이먼저통일되었고, 강력도어느정도포함되었으나, 중력의통합까지는좀더기다려야할것이다. 뉴턴또한물리적운동에대해통일된설명방식을도입했다. 뉴턴이전에는지상과천상의물체가서로다른운동원리에따라움직인다고믿었다. 천상의물체는힘이작동하지않아도영원히등속원운동을한다고믿었던반면, 지상의물체는외부의힘이작용하지않으면물체의운동이결국에는멈춘다고생각하였다. 뉴턴은만유인력의개념을통해지상계와천상계의물체사이에동일한형태의물리적법칙이작동한다는것을밝혔다. 뉴턴은눈에보이지않는마찰력을도입하면서힘의개념을현대적으로바꾸었다. 밖에서일체의외력이전혀작용하지않더라도, 물체에는운동방향의반대방향으로마찰력이작용하고, 물체의운동이멈춘다고해석한것이다. 결국중력과뉴턴의세가지운동법칙은지상의운동과천상의운동을한가지이론으로해석한통일장이론의효시인셈이다. 5. 물질변화의규칙성 원소의주기성다양한원소들이발견되고, 이들의성질을정량적으로측정하게되면서원소들을분류하는작업이이루어졌다. 지구상에존재하는 100여개의원소들은다양한기준으로분류될수있다. 예를들어원자의상대적인질량, 금속과비금속등물리적또는화학적성질, 화학반응성여부등을사용하여분류할수있다. 1869년멘델레예프는원자량에따라원소들을배열해보면원소의일반적인특징이반복되는규칙성을발견하였다. 그는이를주기율표로정리하였는데주기율표는오늘날까지도원소의성질과반응성을이해하고설명하는데큰도움이된다. 원자구조가밝혀진현대에는원자량대신원자번호, 즉원자핵양성자의수를기준으로주기율표를작성한다. 여러원소들의성질이주기적규칙성을보이고, 특정한원소들끼리는비슷한성질을보이는

36 이유는각원소의가장바깥쪽전자껍질에들어있는원자가전자의개수, 즉전자배치와연관이있다. 원자가전자의숫자는원소의반응성에영향을주고, 전자껍질이늘어나도같은원자가전자를가진원소들끼리는비슷한성질을보인다. 예를들면리튬과소듐은원자가전자가한개씩인원소들로, 같은알칼리금속족원소라고불린다. 이두원소는모두쉽게 +1 가이온이되고, Cl - 이온과는 1:1로결합하여이온성화합물을형성한다. 물질변화의종류와특징화학적조성이나성질이변하면화학적변화가일어난것이다. 즉, 두개이상의물질이상호작용하여새로운물질이만들어지면구성원자들이재배치되는화학반응이일어난것이라할수있다. 원자들사이에새로운화학결합이형성되고, 새로운원자배치가탄생하는것이다. 원자로이루어져있어도원자들의배치가다르면완전히다른성질을보인다. 물질의화학적변화를일으키지않고측정할수있는성질을물리적성질이라고하고, 물리적성질이변하는것을물리적변화라고한다. 물질을이루고있는원자나분자의종류, 배열을알면그물질의거시적성질을예측할수있다. 물질을이루는분자의미시적구조와운동은구성입자의수가늘어나면통계적으로거시적성질을설명할수있다. 화학적변화를미시적으로설명하려면, 화합물분자가서로충돌해서새로운화합물이만들어져야한다. 이때반응물분자의전자는새로운환경의영향을받고기존의결합을끊고새로운결합을형성하는데참여하게된다. 화합물이가지고있는내부에너지도적절하게재배치되어반응에도움을주기도한다. 충돌한반응분자들이활성화에너지이상을가지게되면화학결합이끊어지고새로운결합이형성된다. 충돌횟수와반응물분자사이의충돌에너지는거시적으로관찰되는반응물질의농도와구성분자들의온도와연관되어반응속도를결정한다. 전자를양자역학적으로기술하면물질의양자역학적상태가가지는대칭성도화학반응의여부를결정하는또다른요소가된다. 물질이전자기파를흡수하거나방출하는경우분자나원자의양자역학적상태와대칭성을함께고려해야한다. 물질변화의규칙성화학반응에서일어나는질량변화를측정하면반응전후의물질의총질량은일정하다는것을알수있다. 이는일상화학반응조건에서물질이생겨나거나없어지지않는다는것을뜻한다. 그러나극한조건에서핵반응이일어날경우물질과에너지가변환될수있다. 질량을정확하기측정하기어려웠을때는화합물의구성성분이다양한비율로가능하다고생각하였다. 예를들어, 어떤물은다른물보다산소가조금더많을수도, 혹은적을수도있다고생각한것이다. 그러나화합물이다양한비율로구성될수있다는생각이틀리고, 원소들이일정한질량비율, 그것도정수비로결합해서화합물을구성한다는것이밝혀졌다. 이는화합물이반드시불연속적인입자형태의원자들이결합해서형성되어야하며, 원자들이저마다고유한질량을가지며, 더이상쪼개지지않는원자들이재배치하여이루어진다는것을의미한다. 이결과를바탕으로원자들의상대적인무게를이용하여원자를구별하는것이가능해졌으며, 원자론의중요한증거가되었다

37 기체의성질과반응에대한여러실험결과를설명하기위해서는원자와분자의존재뿐아니라온도와압력이같을때같은부피의기체는같은수의기체분자를포함한다는가설이필요하다. 일정부피속분자의수를설명하는기준으로아보가드로수를사용하는데, 이는 12 그램의탄소원자에들어있는원자수로정의된다. 기체반응에서반응물과생성물기체의부피를측정해보면, 부피도정수비를이룬다. 예를들어수소 2L와산소 1L가반응하여수증기 2L가만들어지는것이다. 화합물과화학반응에서질량과부피를정확하게측정하게되면서, 상대적원자량과분자식등이확립되었고물질의변화를정량적으로연구할수있게되었다. 열과온도, 일과에너지에관한연구는우리가인지할수있을정도의양의물체의상태와상태의변환에대한것이다. 그러나정교한과학적정의를사용하지않고도일상생활에서매일경험하고있는개념이기도하다. 에너지는위치에너지, 운동에너지, 화학에너지, 전기에너지, 열에너지, 빛에너지등과같이여러가지형태로나타난다. 그리고에너지는여러가지형태의에너지로바뀔수있는데, 어떤형태의에너지가감소하면다른형태의에너지가같은양만큼증가한다. 계의에너지는계에일을해주거나계를가열함으로써변화시킬수있다. 계가물질출입이나열출입이불가능하게고립되어있으면, 계의내부에너지는일정하다. 자연은에너지가낮은상태를선호하지만, 자발적인변화의방향은단순히에너지측면만으로는설명하고예측할수없다. 자발적변화의방향을정해주는것은물질과에너지가분산되는쪽으로관찰된다. 이를설명하기위해서분산혹은무질서의정도를엔트로피라는물리량으로정의하고, 계와주변의엔트로피총합이증가하는방향으로자발적변화를예측한다. 고립되어있는계의엔트로피는계속증가하며, 계의온도가절대온도 0도에가까워지면엔트로피값의기준점 ( 최솟값 ) 에가까워진다. 6. 지구계와상호작용 지구계의에너지와물질순환우리가살고있는지구는형성당시에가지고있었던열과방사성원소들의붕괴로인한열에의하여마그마를형성할뿐아니라지구의내부가대류에의하여움직인다. 이러한움직임은지각판을이동하게하여판이부딪히는곳에서는화산폭발이나대규모지진이발생하고, 대양에서는새로운지각을생성하기도한다. 지구가자전축이기울어져자전하기에지구의대기도대규모로순환한다. 더구나대기의순환에의한바람, 해양의온도차, 지구자전등에의하여해양도대규모로순환을한다. 지구계를이루는 4권역의크기를비교해보면고체지구가질량의 99.9%, 부피의 80% 로거의대부분을차지하지만, 지표에서관찰되는대부분의자연현상은이들 4권역의상호작용에의하여일어난다. 4권역은물질과에너지를서로주고받으며지구의모습을끊임없이바꾸어간다. 예를들어물의이동을추적해보면, 수권의대부분을차지하는바닷물이증발하여수증기가되면이는기권의한요소가되고, 구름을이루고있던수증기는비나눈이되어다시수권으로돌아간다. 물은식물체에흡수되어생물권의영역으로들어가기도하고, 광물이나암석에포획되어지권의구성원이되기도한다. 이처럼물은수권, 기권, 생물권, 지권사이를끊임

38 없이오가면서지구를하나의계로연결하고있다. 만일, 이러한흐름이끊어진다면어떻게될까? 비도내리지않고, 강도흐르지않으며, 호수도없는, 그리고생물도살수없는황량한행성이될것이다. 우리가지구를이해하는일은지구탄생이후이들 4권역사이의순환이어떻게일어났느냐를이해하는일이기도하다. 4권역들사이의순환은때에따라빠르기도하고느리기도한다. 예를들면, 태풍은며칠사이에엄청난양의물을바다에서육지로옮기지만, 수증기가눈으로내려빙하에갇히면수만년또는수십만년동안바다로돌아가지못하기도한다. 이처럼권역들사이의물질교류속도가달라지면각권역의크기나구성성분에변화를가져오는데, 이러한변화들이모이면지구환경을크게바꾸게된다. 예를들면, 인류가에너지를과도하게소비하는등이들모든권역의자연적인순환과균형에큰영향을미쳐지구온난화와같은문제가발생하게되었다. 이처럼단기적으로최근수년또는수십년사이에일어나고있는변화를알아내어지구의미래를예측하는일도중요하고, 장기적으로지구계의총체적이해를바탕으로수만년또는수억년에걸쳐일어났던변화를밝히는일도중요하다. 지구계상호작용과지구환경변화앞서살펴본것처럼, 지구계는태양계의역학적시스템안에존재하는구성요소이면서그자체로수많은생명체를포함하는하나의시스템이다. 또한지구계는내부 ( 지구내부의방사성원소의붕괴로인한에너지 ) 및외부에너지원 ( 태양에너지 ) 에의해유지되며, 지구계각권의상호작용에는에너지의흐름과물질의순환이수반된다. 이러한에너지흐름과물질의순환으로인해지표의변화, 날씨의변화등과같은자연현상이일어난다. 특히기권의대기와수권의해양은서로긴밀하게상호작용하며유지되는데, 대표적인것이대기대순환과해류의분포이다. 태양에너지가지구에도달하여물과공기및지표에흡수및재방출되는과정과위도에따른에너지비평형으로인해다양한기상현상과기후변화및대기와해양의대순환이나타난다. 또한태양에너지는식물의광합성과정에흡수되어식물과동물의에너지원으로저장되기도한다. 즉대기와해양의대순환을통하여지구전체는에너지평형을이루게된다. 이과정에서대기중으로방출되는열과연소부산물인이산화탄소가온실효과를일으키면서지구환경변화의중요한원인이된다. 특히, 지구계의에너지순환과정에서엘니뇨나라니냐와같은해양순환의변화가나타나며, 이러한변동은지구전체의기후에영향을미친다. 또한온대저기압과태풍과같은기상현상은매우큰규모의대기변화이며, 황사와해일등여러기상현상들이대기뿐만아니라지권, 수권등다른권역과의유기적인관계속에서일어난다. 이처럼크고작은규모의여러가지기상현상들은대기와해양의대순환과연관되어있는데, 날씨를예측하기위해수치예보에의존한다. 수치예보 (Numerical Weather Prediction; NWP) 란대기현상의역학및물리적원리에대한방정식을컴퓨터를활용하여연속적으로분석함으로써현재의대기상태를분석하고나아가미래의대기상태를정량적으로예측하는일련의과정을의미한다. 수치예보에는첨단과학과기술이동원되는데, 통신망, 슈퍼컴퓨터및예보모델 3가지가필수적이다. 그리고지구역사를통한기후변화를파악하기위해고기후연구방법을활용하고있는데, 이방법을활용하여과거의기후변화에관한정보를분석함으로써미래의지구기후변화를예측할수있다

39 대기와해양의대순환의변화는사람을포함한생물권에큰영향을미친다. 즉지질시대를통해그리고오늘날에도지구환경은끊임없이변화하고있으며이러한환경변화에적응하면서오늘날의생물다양성이형성되었다. 따라서이러한지구계를이루는하부권역들의상호작용이지구생명체의존속에기여하고있으며, 후대를위해지구계를최적의상태로보전하는것이인류의책임임을인식할필요가있다. 지구계의진화지권, 수권, 기권등이상호작용함으로써균형을이루는가운데지구의생명체는진화를거듭하여왔다. 지구는약 46억년전에탄생한것으로알려져있다. 지구탄생이후, 지구의역사는크게명왕누대, 시생누대, 원생누대, 현생누대로나누어진다. 명왕누대는지구탄생이후가장오랜암석이알려진시기 ( 약 40억년전 ) 까지의기간이다. 따라서명왕누대의기록은남겨진것이없다. 하지만, 이기간에지권, 수권. 기권, 그리고어쩌면생물권도형성되었다는사실이알려져있다. 시생누대는약 40억년전에서 25억년전사이의기간으로암석기록이있기는하지만, 암석이생성된이후조산운동과변성작용으로남겨진기록이희미하다. 원생누대는 25억년전에서캄브리아기시작 (5억 4100만년전 ) 이전의기간으로지구가환경적으로커다란변화를겪었던시기이다. 원생누대에는대륙의규모도컸고많은부분이육지로드러났으며, 맨틀의대류가느려지면서오늘날과비슷한판구조운동이일어났다. 기권은산소가없는환경에서산소가있는환경으로바뀌었고, 생물권도원시적인원핵생물인세균에서좀더발전된진핵생물로바뀌어갔다. 현생누대는약 5억 4100만년전이후에서현재까지의기간으로지구에생명이넘쳐나기시작한시기이다. 현생누대에지구환경은오늘날과비슷한모습을갖추었으며, 우리인류를포함한지구상의거의모든생물들이등장하였다. 더구나 2050년경에는인류가만들어낸인공지능이인류의지능보다더높아지는시대를맞이하게될지도모른다. 이때가되면자연적인진화대신인류에의한진화가이지구에서이루어질수있다. 그결과현재의우주에서초인류 (transhuman) 시대를맞이할지도모른다

40 <5 범주 > Ⅴ. 생명계 도입 : 생명과학은생명현상을탐구하는학문이다. 생명현상역시물리 화학법칙을따르지만생물또는생명체는비생물과다른몇가지특징이있다. 생물이비생물과구분되는가장중요한특징두가지는생식과물질대사이다. 생식이란자신과닮은개체를만드는것을말한다. 물질대사란주변의물질을끌어들여필요한물질을만들거나분해하는것을말하는데, 이는생명활동에필요한에너지를활용하고생식에필요한물질을만들기위해필요한과정이다. 생물또는생명체란물질대사를통해자신과닮은개체를스스로만드는존재라고정의할수있다. 형태를막론하고이러한조건을만족하면그존재는생물이라고할수있다. 이장에서는생명을구성하는물질과생명현상을유지하기위한원리에대해살펴본다. 먼저 분자에서생태계로 에서는생명현상의기본단위인세포와세포를구성하는물질, 세포가모여개체가되는과정, 개체들이모여생태계를이루는과정을살펴보고, 지구에사는다양한생물을어떻게분류하는지알아본다. 생명이란무엇인가 에서는생명현상의특징인, 생식, 물질대사, 유전, 항상성, 진화에대해간략하게살펴봄으로써생물이비생물과다른점을알아본다. 생명의연속성 에서는생물이개체의유한한삶을넘어종족을보존하기위한과정인유전, 진화를자세히살펴본다. 인체생리 에서는우리몸을구성하는기관계의기능과질병에대한방어시스템을소개한다. 생태계 에서는생태계를구성하는요소와이들사이의상호작용, 에너지흐름과물질순환등을살펴본다. 마지막으로 뇌과학 에서는아직상당부분이미지의세계이지만안류가다른생물들과구분이되게하는가장중요한뇌의작동에관하여살펴본다

41 1. 분자에서생태계로 생명체의구성물질생물은유기물로구성되어있다. 생물은흔히유기체라고도하는데, 유기물이란유기체, 즉생물에서비롯된화합물이란뜻을담고있다. 유기물은탄소를포함한화합물이다. 탄소원자는주변에네개의다른원자와결합할수있어서다양한물질을만들수있다. 탄소원자의이러한특성때문에고분자유기화합물을만들수있다. 생물을구성하는물질역시핵산, 단백질, 지질, 탄수화물과같은고분자유기화합물이다. 핵산은유전정보를저장하거나전달하는역할을하며, 단백질은마치공장의도구나기계처럼다양한기능을담당한다. 지질은세포막을구성하거나에너지를저장하는형태로쓰이며, 탄수화물은주로에너지원으로활용된다. 생명의기본단위 : 세포 1600년대에현미경을이용하여맨눈에는보이지않는미시세계를탐구하던과학자들은생물이세포로이루어져있다는사실을알아내었다. 세포라는단어는로버트훅 (R. Hooke) 이코르크를관찰한결과를기록하면서처음사용하였는데, 그후여러학자들의공로로세포가생명체의기본단위임이밝혀졌다. 현미경의성능향상과염색법의발달, 20세기에이르러광학현미경의한계를뛰어넘는전자현미경의발달등으로세포의미세구조가밝혀졌으며이러한구조물이어떻게상호작용하는지를알게되었다. 세포중에는유전물질인 DNA가핵막에둘러싸여세포의다른부분과구획이나눠진것이있는데, 이를진핵세포라고한다. 반면핵막이없고세포내부의구조가훨씬단순한경우를원핵세포라고한다. 원핵세포로이루어진생물을원핵생물이라고하는데, 원핵생물의다른이름은세균이다. 진핵세포에는유전물질인 DNA가들어있는세포의생명현상을통제하는핵이외에도유기물을분해하여생명활동에필요한에너지를만드는미토콘드리아, 포도당을합성하여빛에너지를저장하는엽록체, 물질합성장소이자이동통로역할을하는소포체등여러기관들이있다. 이러한기관들이상호작용하여세포의생명현상을유지한다. 세포에서개체로생물이가진가장중요한특징인생식과물질대사를온전하게영위할수있는최소단위를개체라고한다. 아메바나짚신벌레처럼세포하나로생식과물질대사를모두할수있는생물은세포가곧개체이며, 이를단세포생물이라고한다. 그러나생식을담당하는세포와물질대사를담당하는세포가따로나뉘어있어서이들이뭉치지않으면온전한개체가될수없는생물을다세포생물이라고한다. 다세포생물은문자그대로해석하면여러개의세포로이루어진생물이란뜻인데, 세포수가많다고다세포생물이아니고세포의역할이생식과물질대사로구분되어있어야한다. 다세포생물은일반적으로세포, 조직, 기관, 개체의단계를거쳐이루어진다. 먼저같은기능을하는세포들이모여조직을이룬다. 그런다음여러가지조직이모여특정한기능을수행하는기관을만드는데, 기관은정해진모양이있다. 그런다음여러가지기관이모여하나의개체가된다. 예를들어근육세포들이모여서근육조직을이루며, 신경세포들이모여신경조직을만든다. 그런다음서로다른조직들이연합하여기관을형성한다. 예를들어심장은근육조직, 신경조직, 상피조직, 결합조직으로구성된다. 그런다음여러

42 기관들이모여개체를이룬다. 동물의기관들중에는서로연합하여공동의목적을달성하는것들이있는데, 이들을묶어기관계라고한다. 예를들어입, 식도, 위, 소장, 대장, 간, 이자등은음식물을소화하여우리몸에양분을공급하는일을하는데, 이들을묶어소화 ( 기관 ) 계라고한다. 동물은소화계, 순환계, 호흡계, 배설계, 신경계, 근골격계등의기관계가모여개체를이룬다. 개체에서생태계로생물은혼자살지않는다. 모든생물은같은종의다른개체또는다른종의개체들과서로영향을주고받는다. 일정한지역을차지하면서상호작용하고있는같은종에속하는개체들의모임을개체군이라고한다. 예를들어아프리카초원에서무리를지어생활하는얼룩말은얼룩말개체군이된다. 한편아프리카초원에는사자개체군도있는데, 사자와얼룩말은먹고먹히는상호작용을한다. 이처럼일정한지역을차지하고상호작용하고있는개체군들의집합을군집이라고한다. 한편생물군집은햇빛, 공기, 온도, 물과같은비생물환경에서영향을받으며, 반대로비생물환경을변화시키기도한다. 이처럼일정한공간에서상호작용하고있는생물군집과비생물환경을통틀어생태계라고한다. 생물의다양성지구에사는생물은 1000만종이넘는다. 종이란형태와습성이뚜렷이구분되는생물집단을말하는데, 보통종이라고하면생물학적종을말한다. 생물학적종이란자연상태에서생식적으로독립된집단이라고정의한다. 가령호랑이와고양이는생김새가비슷하지만둘사이에는자손이태어날수없다. 이처럼서로교배할수없거나교배가되어생긴자손이생식능력이없어서더이상두집단에서유전자를교류할수없는경우를 생식적으로독립 되어있다고말한다. 한편자연상태에서는생식적으로독립되어있으나인위적으로둘을교배했을때생식능력이있는자손이태어나는경우가있다. 예를들어개와늑대를인위적인환경에서교배하면생식능력이있는자손이나온다. 그러나개와늑대를같은종으로취급하지않는것은이러한사건이예외적이기때문이다. 이렇게생물학적종개념으로지구의생물을헤아렸을때, 현재까지과학자들이이름을붙여준것만도 200만종이넘으며아직이름을붙이지못했거나발견하지못한것까지계산에넣으면지구에사는생물이 1,000만종이넘는다. 지구에이처럼다양한생물이살고있는것을생물다양성이라고한다. 이처럼다양한생물은크게세균역, 고세균역, 진핵생물역의세범주로구분된다. 세균과고세균은세포속에핵이따로구분되지않는원핵생물이다. 우리가흔히보는생물들은대부분진핵생물역에속하며, 진핵생물역에는원생생물, 균류, 식물, 동물이포함되어있다. 2. 생명이란무엇인가? 생명체의특징 생명이란무엇인가? 이는생물학에서가장중요한질문이다. 현대물리학의선구자인슈뢰딩 거 (E. Schrödinger) 는생명은스스로엔트로피를감소시킨다고주장하였다. 비생물은에너지를

43 잃으면서분해되어엔트로피가높아지지만생물은살아있는동안에너지를얻어질서있는생명현상을유지한다. 슈뢰딩거가주목한것은생명체의특징중하나인물질대사이다. 지구에살고있는모든생물에는공통점이있다. 이들은세포로구성되어있으며생식, 물질대사, 유전, 항상성, 진화등의생명현상을나타낸다. 바이러스는생명체가가진특성중일부만가지고있어서비생물로간주한다. 생물학자들은생물체에서공통으로나타나는생명현상에주목하고연구한다. 생명현상 1: 생식원래있던개체에서또다른개체가만들어지는것을생식이라고한다. 세포하나가개체인단세포생물은세포분열이곧생식이다. 생식방법에는무성생식과유성생식이있다. 무성생식은새로운개체, 즉자손을만드는과정에서모체한개체만필요한경우를말하며, 유성생식은자손을만들때부모두개체가협력해야하는경우를말한다. 단세포생물이세포분열을통해증식하거나다세포생물이몸의일부를떼어내어자손을만드는경우가무성생식에해당하는데, 이러한생식방법은모체와유전자구성이동일한자손을만들게되므로환경이안정적일때유리하다. 반면유성생식은감수분열을통해생식세포를만든다음, 두개의생식세포가결합하여자손을만드는방법인데, 이과정에서부모와는유전자구성이다른다양한자손을만들수있다. 따라서유성생식은부모와똑같은유전자구성으로는살아남기힘든환경에서종족을보존하는데유리하다. 다양한자손들중성공적으로살아남은개체들에의해집단의유전자구성이점차변화하게된다. 생명현상 2: 물질대사생명체가새로운개체를만들려면재료가필요하다. 생명체는주변에서물질을흡수하여자신이필요한물질로바꾼다. 즉생명체안에서화학반응이일어난다. 이를물질대사라고한다. 화학반응에는반드시에너지의출입이따르는데, 생물은물질대사에서출입하는에너지를이용하여생명현상을유지한다. 생물이사용하는에너지는탄수화물, 단백질, 지방등의유기물에서나오는데, 생물은이에너지를 ATP에일시적으로저장했다가필요한곳에사용한다. 한편생명체안에서일어나는화학반응은대부분효소의도움을받아일어난다. 효소는단백질이주성분인촉매로반응에필요한에너지를낮추어주기때문에낮은온도에서도반응이일어날수있게해준다. 생명현상 3: 유전생명체의가장중요한특징인생식은생물이자손을만드는것을말하는데, 이때자손은부모를닮는다. 즉생물은부모와닮은자손을만든다. 자손이부모를닮는것을유전이라고한다. 즉생명체의특징으로서생식과유전은따로떼어낼수없다. 자손이부모를닮는이유는부모가자손에게자신의유전자를전달하였기때문이다. 유전자란생명현상을유지하는데필요한정보의단위로서다양한규모로정의할수있다. 작게는하나의폴리펩타이드를어떤아미노산서열로만들것인가부터, 크게는날개전체를만드는데필요한정보까지도하나의유전자로정의할수있다. 이러한정보는 DNA 속에저장되어있는데, 1953년왓슨 (J. Watson) 과크릭 (F. Crick) 은 DNA 구조를밝혀유전정보를해독할수있는길을열었다. 유전정보는 DNA의

44 뉴클레오티드의서열에의해결정되며, 이서열에따라 RNA 나단백질이만들어진다. 생명현상 4: 항상성 18세기영국의과학자찰스블랙던 (C. Blagden) 은공기의온도가 127 가넘는방에살아있는개와소고기를집어넣는실험을하였다. 소고기는익어서스테이크가되었지만개는그대로였다. 생명체는이처럼외부환경변화에대응하여체온, 삼투압, ph 등내부환경요소를일정하게유지할수있는데, 이것을항상성이라한다. 항상성을유지해야하는이유는세포안에서일어나는화학반응을일정한속도로순조롭게일어나도록하기위함이다. 항상성을유지하기위해서는외부환경변화를감지하고이에적절하게반응해야한다. 따라서외부환경변화를감지할수있는감각세포나감각기관이필요하며, 감각기관에서내놓은신호를처리하여적절한판단과명령을내리고실행해야한다. 이를위해신경계, 내분비계, 배설계, 근골격계등이협력한다. 생명현상 5: 진화만약모든생명체가무성생식을통해자신과똑같은자손만만든다면생명체의모습은과거와오늘이다르지않을것이다. 그러나단세포생물조차도무성생식만으로번식하지는않는다. 단세포생물도환경이불리해질경우자신과다른유전자구성을가진자손을만들기위해유성생식을한다. 유성생식을통해다양한유전자구성을가진자손들이만들어지고이들의적응력에는차이가생기게된다. 반드시적응력의차이때문만이아니더라도우연에의해서도생사가달라질수있다. 결국변화하는환경에잘적응하는생물은살아남아자손을남길확률이클것이고그렇지못한생물은도태될것이다. 오랜세월동안이런일이반복되면생물의모습이변하게되는데, 이를진화라고한다. 19세기중엽다윈 (C. Darwin) 은 자연선택을통해생물이진화한다. 는생각을발표하여당시사람들에게큰충격을주었다. 다윈은육종학에서단서를얻었다. 식물이나동물에는다양한변이가있는데이들중하나를인위적으로선택하여번식시키고, 이들중또다시변이를선택하여번식시키면결국원래종과는상당히다른형태의종을만들어낼수있다. 예를들어오늘날의다양한견종들은인위적선택의결과이다. 인류는회색늑대를길들여개로만드는과정에서특정형질을가진개체들을선택적으로교배하고번식시켜다양한견종을만들었다. 다윈은육종학에서사람이선택을하듯이, 같은일이자연에서도일어날수있다고생각한것이다. 3. 생명의연속성 유전의원리 19세기에멘델 (G. Mendel) 은유전현상에관하여처음으로과학적인설명을내놓았다. 멘델은부모가자식에게물려주는유전자에의해유전현상이나타나며, 이유전자는쌍으로존재하면서생식세포가만들어질때분리되었다가, 수정과정에서다시합쳐진다고주장하였다. 또한두가지이상의형질이동시에유전되더라도어떤형질에관한유전자가다른형질의관한