뉴턴의 만유인력의 법칙, 아인슈타인의 상대성 이론, 멘델의 유전법칙, 찰스 다윈의 진화론 등의 위대한 이론들은 어떻게 단순하게 이루어져 있을까?
(1) 뉴턴의 만유 인력의 법칙
모든 질량을 가진 물체는 질량에 비례하게, 거리에 반비례하게 서로를 당긴다.
이것이 뉴턴의 만유 인력의 법칙이다. 뉴턴은 이걸 어떻게 떠올리게 되었을까?
뉴턴이 고향 울즈소프에 머무를 때의 일이었다. 뉴턴은 나무 밑에 앉아 골몰히 생각에 잠겨 있었다. 그러다 머리위로 떨어지는 사과를 보고 깨달았다.
아, 무언가가 사과를 끌어당기고 있다! 관성의 법칙에 의하면 분명 사과는 그 자리에 가만히 있거나 위로 떠오를 터인데, 그대로 떨어질터이니 말이다.
그 무언가가 '지구'인 것이고, 여기서 '중력'이라는 개념이 나타난 것이다.
중력을 흔히 '지구'가 물체를 끌어당기는 힘으로 생각하는 경우가 많은데, 물리학에서의 '중력'은 모든 '질량을 가진 물체'가 서로를 끌어당기는 힘으로 정의하고 있다.
그렇다면 이 사과를 멀리 던지고, 던지고, 던지다가 만약 지구의 둘레만큼 던지게 된다면 어떻게 될까? 이 상황에서 다시 사과가 제자리로 돌아가려는 관성의 힘과 중력의 힘이 균형이 맞춰지면, 공전이 되는것이다.
마치 달처럼 말이다.
뉴턴은 이렇게 가설을 계속 확장해나가며 실험적 사고를 했고, 기존의 패러다임이었던 아리스토텔레스의 이론을 뒤집고, 케플러의 행성 운동 이론의 원리를 증명해냈다.
- 아리스토텔레스의 지상계/천상계 이론
기존에 있던 사상은 '아리스토텔레스'의 지상계와 천상계 이론이었다. 아리스토텔레스에 따르면 지구를 중심으로 한 지상계와 그 외부에 있는 천상계를 서로 다른 법칙에 의해 움직인다고 주장했다.
지상계는 불완전하고 변화하는 영역으로, 물체가 자연스럽게 올라가고 떨어지는 운동을 하며, 이는 4원소(흙, 불, 공기, 물)와 관련이 있다고 생각했다. 반면, 천상계는 완벽하고 영원한 영역으로, 별과 행성들이 완벽한 원운동을 한다고 여겼다.
하지만 뉴턴의 이론은 이 기존에 있던 사상에서 벗어나 의문을 제기하고 (잘못된 고정관념에서 벗어나고), 현상을 관찰해 지상계와 천상계를 관통하는 법칙 하나를 고안해낸 것이다.
- 케플러의 행성 운동 이론
행성들이 태양을 중심으로 타원 궤도를 그리며 공전하고, 그 궤도 상에서 행성은 태양에서 멀어지면 속도가 느려지고 가까워지면 속도가 빨라지며, 동일 시간 동안 같은 면적을 휩쓴다.
케플러는 이 이론을 고안해냈지만 원리에 관해서는 명확히 설명하지 못했다. 하지만 뉴턴은 이를 만유인력의 법칙을 통해 설명해냈다.
뉴턴의 만유인력의 법칙에 따르면 태양에 행성이 가까워 질수록 중력의 힘이 더 강해지고 멀어질 수록 중력의 힘이 약해져 속도가 느려지고 빨라지는 것이다.
(2) 아인슈타인의 일반 상대성 이론.
- 생각의 발단
아인슈타인은 질량이 없는 빛이 중력에 의해 휘어진다는 사실을 발견하면서 뉴턴 이론의 한계를 깨닫게 되었다. 기존 뉴턴의 만유인력 법칙은 중력을 물체 간의 힘으로 설명했지만, 빛과 같은 질량이 없는 물체도 중력의 영향을 받는다는 점에서 오류가 있었던 것이다.
- 등가원리의 법칙
아인슈타인은 뉴턴처럼 떨어지는 물체를 보며 중력에 대한 의문을 품었다. 그는 ‘펜이 왜 떨어질까’라는 질문을 던지며, 그 원인이 중력 때문인지 아니면 가속도에 의한 관성력 때문인지 고민했다. 이로부터 그는 등가원리를 떠올리게 되었다.
등가원리는 관성력과 중력이 동등한 효과를 나타낸다는 원리다. 예를 들어, 엘리베이터 안에서 사람이 위로 가속할 때, 그 사람을 밑으로 잡아당기는 힘이 중력인지 관성력인지 구분할 수 없다. 즉, 중력이 작용하는 상황과 가속에 의해 발생하는 관성력이 물리적으로 구분되지 않는다는 것이다. 적용 방식은 다르지만 동일한 물리적 효과를 낼 수 있다는 점에서 아인슈타인은 큰 주목을 했다.
이를 통해 그는 중력뒤에 있는 더 근본적인 현상에 집중하게 되었다.
이 현상이 바로 아인슈타인의 '일반 상대성 이론'에서 주장하는 '질량의 크기에 따른 시공간의 곡률'이었다.
- 일반 상대성 이론
일반 상대성 이론은 질량이 시공간을 휘게 만들고, 그 휘어진 시공간의 구조에 따라 물체들이 움직인다는 이론이다. 물체들이 휘어진 시공간을 따라 움직이기 때문에 우리는 그 현상을 중력으로 느낀다. 그러나 실상은, 물체들이 시공간의 곡률에 따라 자연스럽게 움직이는 것이다. 예를 들어, 지구의 질량은 주변 시공간을 휘게 만들고, 그 결과로 물체들이 지구를 향해 끌려가는 것이다. 이를 우리는 중력으로 인식한다.
엘리베이터가 자유낙하할 때도 지구의 중력에 의해 시공간의 곡률을 따라 자연스럽게 움직인다. 이때 엘리베이터와 그 안의 사람은 모두 같은 가속도로 떨어지기 때문에 중력을 인식하지 못하고 마치 무중력 상태처럼 느낀다.
엘리베이터는 지구의 질량에 의해 휘어진 시공간의 곡률을 따라 자유롭게 낙하하는 것이다. 지구의 중력은 시공간을 휘게 만들고, 그 결과 엘리베이터는 그 휘어진 시공간을 따라 움직이며, 내부에 있는 사람도 동일한 가속도로 움직인다.
이 상태에서는 관성력이 발생하지 않으며, 엘리베이터와 그 안의 물체들은 자연스럽게 시공간의 곡률을 따르는 중력 효과만을 경험하게 된다. 이는 중력과 관성력의 구분이 없는 상태로, 내부의 사람들은 중력을 느끼지 않고 무중력 상태에 있는 것처럼 느껴진다. 이는 일반 상대성 이론의 일상적 예시일 뿐이다.
더 극단적인 예시로는 SF영화의 내용을 들 수 있다. 영화 '인터스텔라'와 같은 SF 영화에서는 블랙홀과 같은 '극도로 거대한 천체의 중력' 때문에 시간이 더 느리게 흐르며, 타행성에서의 8분이 지구에서의 25년이 될 수 있다. 이러한 개념은 모두 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 기반한 것이다.
그리고 추후에 이 이론의 근거인 빛의 굴절, 중력 시간 지연, 중력파가 하나씩 입증되었다.
위의 뉴턴의 사례와 같이 아인슈타인 또한 9년이라는 시간에 걸쳐 만유인력의 법칙에서의 오류를 개선하고, 개선하는 활동을 통해 나아진 것이다. 세상을 규정하는 보편적이고 절대적이어 보였던 이론에서 벗어나 또 다른 지점을 발견하고 새로운 인식을 세상에 퍼뜨린 것이다.
즉, 세상에 대한 탐구심과 기존의 명제에 대한 의구심, 자신의 이론에 대한 확신과 의심을 반복하고 검증하는 위 사고 방식을 통해 일반 상대성 이론이 탄생한 것.
(3) 다윈의 진화론
다윈은 원래 생물학 전공이 아니었지만, 자연과 생물에 대한 관심 덕분에 당대의 생물학자들과 어울려 지냈다. 케임브리지에서 신학을 공부하던 중 자연사에 관심을 갖게 되었고, 이는 비글호 탐험에 참여하게 되는 계기가 되었다.
비글호는 남아메리카 해안을 조사하고 항해 지도를 만드는 것이 주요 목적이었다. 다른 학자들이 모두 탐험에 나설 수 없을 때, 다윈에게 이 기회가 주어졌고, 이를 통해 갈라파고스 제도를 방문하게 되었다.
갈라파고스에서 다양한 부리를 가진 핀치새를 발견한 다윈은 이들이 먹이에 따라 부리 모양이 다르다는 사실을 알아냈다. 이는 그가 자연선택 개념을 발전시키는 데 중요한 단서가 되었다. 환경에 적응한 생물이 더 많이 생존하고 번식한다는 개념이 다윈의 진화론의 핵심이 되었으며, '강한 자가 아닌, 환경에 가장 잘 적응한 자가 살아남는다'는 진리로 이어졌다.
다윈은 고향으로 돌아와 20여 년 동안 자신의 이론을 발전시키며 기존 이론들을 검토하고 검증했으며, 특히 앨프리드 러셀 월리스와의 교류를 통해 자연선택 이론을 구체화해 나갔다.
- 생물들은 유전적 변이를 통해 후손을 남기고, 환경에 적합한 개체가 더 많이 살아남아 번성한다.
- 자연선택은 유리한 형질을 가진 생물들이 더 많은 자손을 남기게 하여, 세대가 거듭됨에 따라 그 형질이 집단 내에 퍼지게 하는 메커니즘이다.
이것이 다윈이 러셀과 함께 주장한 자연선택 설이다.
위대한 이론들이 탄생하게 된 키포인트.
위의 이론들은 다 기존의 진리라고 불리어져 온 이론들의 '예외사항'을 발견하고 그걸 기점으로 확장해나가고 교정해 나간 사례라고 볼 수 있다.
03. 제 1원칙 법칙에서 설명했듯이, 위 사고가 선행되려면 '절대적 진리'라고 여겨지는 보편적인 이론조차도 100% 확신해선 안된다. 즉, 고정관념에서 벗어나야 한다. 이것이 선행되어야 새로운 이론의 탄생과 기존의 이론에서의 확장이 둘 다 가능한 것이다.
또 여기서 명심해야할 점은 기존의 이론을 전부 다 꿰뚫고 있어야 그 안에서
'새로운 패러다임'이라는 것이 나온다는 점이다.
철학적인 얘기를 여기서 잠깐 꺼내보자면, 세상은 무다. 정보의 관점에선 아예 무다. 물질적 세계는 그대로 있다. 다만 우리가 그것들을 정의내리며 인식하는 것이다. 모든 것은 인식과 상상의 영역이다.
그래서 세상은 물질적 세계와 그를 상상하고 규정하고 인식하는 인식의 세계가 있다. 이론도 물질에 관해, 사물에 관해, 감정에 관해, 또 행동에 관해, 더 확장해 세상에 관해 효과적으로 의사소통 하기위해 만들어진 일반화된 정보의 일종이다.
이론의 정의: 사물의 이치나 지식 따위를 해명하기 위하여 논리적으로 정연하게 일반화한 명제의 체계.
새로운 이론을 정립하기 위해선, 당연히 기존에 있는 이론의 체계를 파악해야 한다. 그래야 그 분야에서 이미 정립된 이론을 어떻게 더 개선시키고 나아갈지, 정정할지에 관한 고민을 시작할 수 있다. 또한 그 분야의 지식을 어떻게 사람들이 이해할 수있게 체계화 시키고 일반화 시킬지에 관한 양식을 알 수 있다.
이런 연유에서 이론을 정립해야할 학자는 그 분야에 대한 이론을 깊이있게 분석하고 파악할 줄 알아야 하고, 그 방향으로 공부를 깊게한 뒤에, 그 중 고정관념에서 벗어날 줄 알고, 정말 필요한 내용을 분별할 줄 아는 소수가 바로 기존의 이론들을 뒤집고, 혁신을 일으킨다.
위대한 것들은 무엇을 기반하여, 어떻게 이루어져 있을까.
위대하다: 도량이나 능력, 업적 따위가 뛰어나고 훌륭하다.
위의 이론들은 '위대하다'고 여겨지는 이론들이다. 왜 그렇게 여겨질까? 세상의 근본적 원리를 설명하는 것을 통해 세상의 크고 작은 문제들을 해결하는데 기여했기 때문이다. 위 이론들은 세상의 근본적 원리를 설명하고 진리를 탐구한다.
즉, 세상의 법칙을 기반으로, 그를 보편타당한 법칙으로 일반화시켜 지속적으로 영향을 미치고 세상을 변화시키는 것을 위대하다고 부른다.
무언가 떠오르는게 없는가? 그렇다. 바로 이게 '순수 학문'인 것이다. 아래는 순수 학문을 응용한 사례들이다. 매치된 응용 사례들은 '응용 학문'이라고 불린다. 인류의 사회생활에 직접 응용하는 것을 주된 목적으로 하는 학문이며 순수 학문의 진리와 원리를 기반으로 인류의 실질적이고 실제적인 문제를 해결했을 때의 그 방법론들이 모인 학문이라고 할 수 있다.
상대성 이론 - GPS
GPS 위성은 고속으로 이동하고 지구 중력장에서 작동하는데, 상대성 이론에 따르면 이로 인해 시간 차이가 발생한다. 이 시간 왜곡을 보정하지 않으면 위치 정보가 크게 어긋난다.
뉴턴의 운동 법칙 - 교통수단 설계
자동차, 비행기, 기차 등 모든 교통수단의 설계는 뉴턴의 운동 법칙에 따라 힘, 가속도, 질량의 관계를 계산해 안정성을 확보하고 효율적인 운행을 가능하게 한다.
다윈의 진화론 - 신약 개발
다윈의 진화론을 통해 병원균의 변이와 진화 과정을 이해하고, 그에 맞춘 백신과 신약을 개발하여 질병을 예방하고 치료하는 데 사용된다.
양자 역학 - 반도체
양자역학의 원리를 적용하여 전자들이 반도체에서 어떻게 이동하는지 설명함으로써, 트랜지스터와 집적회로(IC)가 발명되어 컴퓨터와 스마트폰의 핵심 부품으로 사용된다.
경제학의 수요-공급 법칙 - 가격 결정
수요와 공급의 상호작용에 따른 가격 결정 원리를 이용해, 시장에서 상품의 가격이 어떻게 형성되고 변동하는지 분석하고 예측한다.
위 순수 학문의 이론들은 위의 매치된 예시와 같은 하나의 분야에만 국한되지 않고, 생명과학, 공학, 경제학 등 다양한 분야에 걸쳐 응용된다. 각 이론은 단일 응용 분야에만 제한되지 않으며, 다방면에서 폭넓게 사용되고 있다. 만약 이러한 이론들이 없었다면, 오늘날 우리가 사용하는 많은 기술과 시스템은 존재하지 않았을 것이다. (순수 학문의 세상 진리에 관한 통찰과 원리를 기반으로 발전해왔기 때문이다.)
다방면으로 사용된다는 것은 그 이론이 보편적이고 범용성이 크다는 것을 의미한다. 17세기에 발표된 이 이론들이 21세기에도 여전히 큰 영향을 미치고 있다는 사실은, 이들 이론이 지속적으로 영향을 미쳐왔으며 앞으로도 이를 뒤집는 새로운 이론이 나오지 않는 이상 영향을 미칠 것임을 보여준다. 심지어 고대 그리스에서 완성된 피타고라스의 법칙 역시 오늘날까지 영향을 미치고 있으며, 그 범위와 지속성은 예측하기 어려울 정도다.
이 이론들은 단순히 학문적 지식으로 끝나는 것이 아니라, 세상을 인식하는 방식과 그 방식을 바탕으로 만들어진 근본적인 원리들을 나타낸다. 이 원리들이 세상의 사회적·기술적 발전을 이끌어왔기 때문에 우리는 이들을 '위대하다'고 여긴다. 순수학문은 세상의 근본적 진리를 탐구하는 학문이며, 그 결과물은 다양한 응용학문에 의해 실제 문제 해결에 적용된다.
따라서, 세상 만물과 이를 인식하는 방식을 제대로 이해하고 싶다면, 이를 응용하는 공학, 의학 등의 학문뿐 아니라, 이를 뒷받침하고 근본적인 사고 방식 및 문제 해결의 원리가 되는 물리학, 철학, 심리학과 같은 순수학문을 먼저 습득해야 한다.
<일상에서의 예시>
예를 들어, 마케팅이라는 응용 학문을 공부하기 위해선 심리학, 경제학, 사회학, 통계학 등을 기본적으로 필요한 부분들은 알고 있어야 한다. 그래야 이 마케팅이 세상의 어떤 부분에 어떤 방식으로 작동하는지 알게되기 때문이다.
심리학은 소비자의 동기와 행동을 이해하는 데 도움을 주고, 경제학은 시장의 동태와 가격 설정의 논리를 제공하며, 통계학은 마케팅 성과를 데이터를 통해 분석하고 효과를 측정하는 데 필수적이다.이 순수 학문들이 실전적인 '고객 관리 프로세스'에 적용이 되었을 때 그리고 그 방법론들이 일반화 되었을 때, 마케팅이라는 응용 학문이 생긴 것이다.
만약, 지금 공부하고 있는 응용 학문, 기술이 있다면 그에 기반이 되는 세상을 인식하는 방식인 순수 학문들을 알아보고 공부해 올바르고 효율적이게 응용하길 바란다. 위의 마케팅의 예시에서도 각 순수 학문이 어떻게 사용되는지 파악했으니 그에 포커싱이 되어서 응용 학문의 방법론들이 효율적으로 사용될 것이다.
- 구체적인 적용 사례
어떤 캠페인을 진행할 때에도, 고객의 행동 패턴과 소비 패턴을 분석하여 그에 맞게 웹페이지 UI를 설계함으로써 구매 과정을 더 원활하게 만들 수 있다. 예를 들어, 인지 부하를 줄이기 위해 간결한 디자인을 적용하고, 중요한 행동 유도 버튼(CTA)을 명확하게 배치해 사용자가 쉽게 구매 결정을 내릴 수 있도록 유도할 수 있다.
또한, 후킹 문구를 작성할 때에도 고객의 페르소나를 분석하여 다양한 문구를 테스트할 수 있다. 고객의 동기와 니즈를 파악해 개인화된 메시지를 선택하고, 이를 통해 고객의 관심을 더 효과적으로 끌어낼 수 있다.
이는 '인간의 마음과 행동'에 대한 진리를 연구하는 '심리학'을 기반으로 '소비자'의 행동을 통해 시장의 파이를 넓히는 마케팅의 사례라고 볼 수 있다.
<혁신적인 예시>
위에서 제시했던 뉴턴의 만유인력의 법칙, 아인슈타인의 상대성 이론, 다윈의 진화론 모두 혁신적인 예시이다.
다만 위의 것들은 우리나라의 의무 교육까지 받은 사람이라면 모두 보편적으로 알고 있을 사례들이며, 시간이 지난 사례들이기도 하니 최근의 사례로 들어보겠다.
일론 머스크의 스페이스X는 '인류를 다행성 종으로 만들 것이다.'라는 비전을 갖고 움직이는 기업이다. '우주에서 인간은 살 수 없다.'라는 기존의 명제를 넘어, 지구 온난화와 지구 환경 악화로 인한 인류 멸종 시나리오를 뒤집고자 한다.
누군가는 허무맹랑하다고 비웃을지 모르지만, 스페이스X는 여러 번의 시도와 개선을 거쳐 크고 작은 성과를 이루어냈다. 일론 머스크는 단순히 '돈을 많이 벌어서' 존경받는 것이 아니라, '세상을 이로운 방향으로 혁신'하기 때문에 그 가치가 인정받는 것이다.
이를 위해 머스크는 우선적으로 우주 탐사 비용을 혁신적으로 감축하는 것에 집중했다. 이는 화성으로 대규모 인구를 이송할 수 있는 기술을 개발하기 위한 필수 조건이었다. 스페이스X가 개발한 재사용 가능한 로켓과 연료 효율성을 극대화한 엔진은 그 자체로 엄청난 혁신으로 평가받고 있다.
이러한 비용 감축은 순수 학문(화학적, 물리학적 원리)을 기반으로 한 응용학문의 발전 덕분에 가능했다. 로켓 추진력과 연료 최적화를 위해 물리학과 화학적 원리를 바탕으로 한 수많은 실험이 이루어졌고, 이를 통해 혁신적인 기술들이 탄생했다. 또한, 스페이스X는 수많은 실패와 도전을 겪으며 그 과정을 통해 더 나은 해결책을 찾아갔다. 실패는 혁신의 중요한 밑바탕이었고, 이를 극복함으로써 더욱 효율적이고 안정적인 우주선을 개발할 수 있었다.
- 구체적인 사례
순수학문에서의 통찰과 원리, 특히 물리학과 화학의 기본 원리들은 스페이스X의 여러 실패를 해결하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, SN8과 SN9 테스트에서 로켓은 고도 도달에는 성공했으나 착륙 과정에서 연료 압력 문제와 추력 불균형으로 인해 폭발했다. 이에 따라 스페이스X는 연료 압력과 추진 시스템의 최적화를 위해 물리학적 원리를 적용하여 연료 흐름과 엔진 출력을 개선해 나갔다.
이 과정에서 얻은 데이터는 응용학문, 즉 우주 공학과 로켓 기술에 적용되며, 이를 통해 착륙 안정성과 로켓의 재사용 가능성을 점차 높이는 기술이 개발된다.
