과학적 방법

개요

과학적 방법은 생물학자 및 다른 분야의 과학자들이 활용하는 구체적이고 실증적인 문제해결 방법입니다. 이 방법은 반복적인 과정이며 관찰된 것에 대한 질문을 정립하고, 관측에 대한 검증 가능한 가설을 세우고, 가설에 따라 예측하고 이 예측을 실험하며, 실험 결과에 따라 새로운 가설을 세우고 새로운 예측을 하는 것을 포함합니다.

일반적으로 예측은 신중하게 설계된 실험을 통해 검증됩니다. 그리고 이 실험의 결과에 따라 기존 가설을 개선하거나 새로운 가설과 질문을 도출할 수 있습니다. 중요한 것은 과학적 방법이 단계적 과정이 아니라는 점입니다. 과학적 방법은 새로운 관찰에 기반한 개념을 꾸준히 개선하고 검증하는 연속적인 과정입니다.

과학은 우리 주변의 세계에 대해 더 많이 알아 갊에 따라 지속해서 변화합니다. 이러한 이유로 과학자들은 특정 개념을 ‘증명’한다고 주장하는 것을 피합니다. 대신 주어진 가설을 뒷받침하거나 반박하는 증거를 수집합니다.

관찰과 가설의 정립

가설을 세우기 전 초기 관찰이 선행됩니다. 초기 관찰 시엔 감각(예: 시각, 청각)이나 과학적인 도구 및 기구를 사용해 정보를 수집합니다. 관찰 결과는 초기 가설을 정립하는 질문으로 이어집니다. 예를 들어, 민달팽이가 양배추를 먹고 있는 것을 관측하고 마늘 근처에 있는 양배추는 먹지 않는 것을 관측했다면 이와 같은 질문을 할 수 있습니다: 왜 민달팽이는 마늘 근처에 있는 양배추를 선택적으로 거부하는가? 이 질문에 답하는 한 가지 가능한 가설은 민달팽이가 마늘에 대한 혐오감을 가지고 있다는 것입니다. 그리고 이 가설에 기반하여 민달팽이가 마늘 분말에 둘러싸인 양배추를 먹지 않을 것이란 예측을 할 수 있습니다.

가설은 반증 될 수 있어야 합니다 (이는 가설이 사실이 아닐 시 반증할 방법이 있다는 것을 의미합니다). 즉, 가설을 시험 할 수 있어야 합니다. 과학자들은 대개 귀무가설(null hyphothesis)이라고 불리는 기존 가설과 대립하는 가설을 명시하고 이 귀무가설을 시험합니다. 앞서 들었던 예의 경우 귀무가설은 민달팽이가 마늘에 대한 혐오감을 가지고 있지 않다는 것이 됩니다. 그리고 예측과는 달리 민달팽이가 마늘 분말로 둘러싸인 양배추를 먹는다면 귀무가설이 성립하게 됩니다.

가설 검증

가능하면 과학자들은 독립변인(independent variable)과 종속변인(dependent variable) 뿐만 아니라 대조군(control group)과 실험군(experimental group)을 포함하는 통제된 실험을 통해 가설을 검증합니다.

독립변인은 다른 변인에 영향을 줄 것으로 예상되는 요인입니다 (예: 민달팽이-양배추 실험에 사용되는 마늘 분말, 임상 시험에서 주어진 치료). 종속변인는 실험의 결과를 결정하는 데 사용되는 측정값입니다. 앞서 예로 든 민달팽이-양배추 실험에서 양배추를 먹는 민달팽이의 수는 종속변인입니다. 민달팽이 수는 양배추를 둘러싼 마늘 분말의 존재 또는 부재에 따라 변할 것으로 예상되기 때문입니다.

실험에는 실험군과 제어군이 필요합니다. 실험군은 독립변인(즉, 조작 또는 처치)에 노출됩니다. 예를 들어 민달팽이-양배추 실험에서 실험군은 마늘 분말로 둘러싸인 양배추에 노출된 집단입니다. 대조군은 독립변인을 제외하고 실험그룹과 동일한 조건을 적용합니다. 앞서든 예에서 대조군은 마늘 분말이 아닌 다른 분말에 둘러싸인 양배추에 노출된 대조군(분말 혐오에 대한 제어)과 아무런 물질에도 둘러싸이지 않은 양배추에 노출된 대조군(양배추 혐오에 대한 제어)을 포함 할 수 있습니다. 대조군 없이는 실험 결과가 조작 또는 처치에 의한 결과인지 불분명하기 때문에 대조군은 실험에 꼭 포함해야 합니다.

가설 개선

실험 결과가 가설을 뒷받침하는 경우, 가설을 더 뒷받침하기 위해 추가 실험을 설계하고 수행할 수 있습니다. 또한 가설을 개선하고 더 구체적으로 만들 수도 있습니다. 예를 들어 추가 실험은 민달팽이가 양파와 같은 알리움(Allium)속에 속하는 다른 식물에 대한 혐오감을 가졌는지 여부를 검증할 수 있습니다.

실험 결과가 가설을 뒷받침하지 않는 경우, 가설을 새로운 관측에 따라 조정하거나 실험 설계상의 문제를 배제해야 합니다. 예를 들어, 민달팽이가 두 가지 유형의 분말 물질에 대한 혐오감을 나타내는 경우 분말 마늘 대신 신선한 마늘을 사용하여 다시 실험할 수 있습니다. 이 실험에서 민달팽이가 마늘에 대한 혐오감을 나타내지 않으면 가설을 조정해 민달팽이가 분말 형질에 대한 혐오감을 가지고 있다는 새로운 가설을 세울 수도 있습니다.

실험의 결과는 데이터가 가설을 뒷받침하는지 여부와 관계없이 다른 과학자와 대중에게 전달되어야 합니다. 이렇게 전달되는 정보는 새로운 가설과 연구질문의 정립을 끌어 낼 수 있습니다.