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자연의 법칙은 우리 주변의 우주에 대한 간결한 설명이다. 모든 자연 과정이 따르는 기본 법칙 또는 규칙에 대한 인간의 진술이다. 이러한 법칙은 우주에 포함된 것으로 인간이 만든 것이 아니기 때문에 절대로 바꿀 수 없다. 우리는 그것을 발견하고 이해할 수 있을 뿐이다. 이런 법칙의 발견은 모든 창조적 노력에 포함된 신비, 상상력, 투쟁, 승리, 실망의 요소를 모두 포함하는 매우 인간적인 노력이다. 자연법칙 발견의 초석은 관찰이며, 과학은 우리가 상상하는 우주가 아니라 있는 그대로 우주를 설명해야 한다.

마리 퀴리(1867~1934)는 초기 연구 자금을 마련하기 위해 금전적 자산을 희생했고,

방사능 피폭으로 신체적 건강을 신체적 건강을 해쳤다.

그녀는 물리학 및 화학 분야에서 노벨상을 수상한 유일한 인물이다.

우리는 모두 어느 정도 호기심을 가지고 있다. 우리는 주변을 둘러보고, 일반화하며, 보이는 것을 이해하려고 노력한다. 예를 들어, 우리는 하늘을 올려다보며 어떤 종류의 구름이 다가오는 폭풍을 알리는 신호인지 궁금하다. 자연에 대한 탐구에 진지해지면서 자료를 수집하고 분석하는 방식도 더 체계적이고 공식화된다. 우리는 더 높은 정밀도를 높이고, 가능하다면 통제된 실험을 수행하고, 데이터를 어떻게 정리하고 통합할 수 있는지에 대한 아이디어를 기록한다. 그런 다음 수집하고 분석한 데이터를 기반으로 모델, 이론, 법칙을 공식화하여 이러한 실험 결과를 일반화하고 전달한다.

모델(model)은 직접 표시하기에는 너무 어렵거나 불가능한 것을 표현한 것이다. 모델은 실험적 증거를 통해 정당화되지만, 제한된 상황에서만 정확하다. 예를 들어 다음 그림처럼 행성이 태양을 공전하는 방식과 유사하게 전자가 핵을 공전하는 것으로 묘사된 원자의 행성 모델을 들 수 있다. 전자 궤도를 직접 관찰할 수는 없지만, 뜨거운 기체에서 빛이 방출되는 현상(원자 스펙트럼)과 같이 우리가 할 수 있는 관측을 설명하는 데는 어떤 정신적 이미지가 도움이 된다. 물리학자들은 다양한 목적으로 모델을 사용한다. 예를 들어, 모델은 물리학자가 시나리오를 분석하고 계산을 수행하는 데 도움이 되거나 컴퓨터 시뮬레이션의 형태로 상황을 표현하는 데 사용될 수 있다.

이론(theory)은 과학적 증거에 의해 뒷받침되고 다양한 연구자 그룹에 의해 여러 번 검증된 자연의 패턴에 대한 설명이다. 일부 이론에는 현상을 시각화하는 데 도움이 되는 모델이 포함되지만, 그렇지 않은 이론도 있다. 예를 들어 뉴턴의 중력 이론은 우리의 감각으로 직접 물체를 관찰할 수 있으므로 모델이나 정신적 이미지가 전혀 필요하지 않다. 반면 기체의 운동 이론은 기체를 원자와 분자로 구성된 것으로 보는 모델이다. 원자와 분자는 너무 작아서 우리의 감각으로 직접 관찰할 수 없으므로 우리는 기체의 거동에 대해 기구가 알려주는 것을 이해하기 위해 정신적으로 상상해야 한다.

법칙(law)은 간결한 언어를 사용하여 과학적 증거와 반복된 실험으로 뒷받침되는 자연의 일반화된 패턴을 설명한다. 종종 법칙은 하나의 수학 방정식의 형태로 표현될 수 있다. 법칙과 이론은 모두 검증된 가설의 결과이며 과학적 증거에 의해 뒷받침되는 과학적 진술이라는 점에서 비슷하다. 그러나 법칙은 어떤 과정에서 에너지가 보존된다는 법칙이나 힘, 질량, 가속도를 간단한 방정식 $F=ma$로 설명하는 뉴턴의 운동 제2 법칙과 같이 자연의 현상을 설명하는 간결하고 매우 일반적인 진술에 사용한다. 이와 대조적으로 이론은 관찰된 현상에 대한 덜 간결한 설명이다. 예를 들어 진화론과 상대성이론은 법칙으로 간주할 만큼 간결하게 표현할 수 없다. 법칙과 이론의 가장 큰 차이점은 이론이 훨씬 더 복잡하고 역동적이라는 것이다. 법칙은 하나의 행동을 설명하는 반면, 이론은 관련 현상 전체를 설명한다. 또한 법칙은 과학적 방법의 기초를 형성하는 가정이지만, 이론은 그 과정의 최종 결과물이다.

유체에만 적용되는 파스칼의 법칙과 같이 일반적으로 광범위하게 적용되지 않는 진술은 원리(principle)라고 부르지만, 법칙과 원리의 구분이 명확하게 이루어지지 않는 경우가 많다.

모델, 이론, 법칙은 과학자들이 이미 수집한 데이터를 분석하는 데 사용된다. 그러나 모델, 이론 또는 법칙이 개발된 후에는 과학자들이 다른 방법으로는 발견하지 못했을 새로운 발견을 끌어내는 경우가 많다.

우리가 고안한 모델, 이론, 법칙은 때때로 아직 관찰되지 않은 사물이나 현상의 존재를 암시하기도 한다. 이러한 예측은 과학의 힘에 대한 놀라운 승리이자 찬사이다. 과학자들이 이처럼 놀라운 예측을 할 수 있는 것은 우주의 근본적인 질서 때문이다. 그러나 실험을 통해 예측이 검증되지 않는다면 그 이론이나 법칙은 아무리 우아하고 편리하더라도 잘못된 것이다. 가능한 모든 시나리오에서 법칙을 확인하기 위해 상상할 수 있는 모든 실험을 수행하는 것은 불가능하므로 법칙은 절대적으로 확실하게 알 수 없다. 물리학자들은 모든 과학 법칙과 이론이 반례가 관찰될 때까지는 유효하다는 가정에 따라 연구를 진행한다. 검증할 수 있는 양질의 실험이 잘 정립된 법칙과 모순되면 그 법칙을 수정하거나 완전히 뒤집어야 한다.

과학 전반, 특히 물리학을 연구하는 것은 미지의 바다를 탐험하는 것과 매우 흡사한 모험이다. 발견이 이루어지고, 모델과 이론, 법칙이 공식화되고, 물리적 우주의 아름다움이 더욱 숭고해지며, 통찰력을 얻게 된다.

10~11세기 카이로에서 활동한 과학자 이븐 알 하이삼(알하젠이라고도 불림)은 광학 및 시각에 대한 이해를 크게 발전시켰다. 하지만 그의 공헌은 그보다 훨씬 더 컸다. 그는 이전의 접근 방식이 잘못되었음을 입증하면서 과학자들은 기존의 지식을 거부하고 그들이 읽는 모든 것의 '적'이 될 준비가 되어 있어야 한다고 강조했으며, 과학자들은 객관적인 증거만을 신뢰해야 한다고 말했다. 알 하이삼 은 반복적인 실험과 검증을 강조했으며, 감각과 선입견이 잘못된 결론으로 이어질 수 있음을 인정했다. 그의 연구는 오늘날 우리가 사용하는 과학적 방법의 선구자였다.

과학자들은 세상에 대한 정보를 탐구하고 수집할 때 과학적 방법이라는 프로세스를 따른다. 이 과정은 일반적으로 과학자가 조사할 관찰과 질문으로 시작한다. 다음으로 과학자는 일반적으로 해당 주제에 대한 조사를 수행한 다음 가설을 세운다. 그런 다음 과학자는 실험을 수행하여 가설을 테스트한다. 마지막으로 과학자는 실험 결과를 분석하고 결론을 도출한다. 과학적 방법은 과학에 국한되지 않고 많은 상황에 적용될 수 있으며, 상황에 맞게 수정할 수 있다.

예를 들어 보겠다. 자동차의 시동을 켜려고 하는데 시동이 걸리지 않는다고 가정해 보자. 의심할 여지 없이 궁금할 것이다. 왜 차가 시동이 걸리지 않을까? 이 질문에 답하기 위해 과학적인 방법을 따를 수 있다. 먼저, 자동차 시동이 걸리지 않는 다양한 이유를 파악하기 위해 몇 가지 조사를 수행할 수 있다. 다음으로 가설을 세운다. 예를 들어 엔진 오일이 없어서 시동이 걸리지 않는다고 생각할 수 있다. 이를 테스트하기 위해 자동차의 후드를 열고 엔진 오일 레벨을 검사한다. 엔진 오일이 허용할 수 있는 수준임을 관찰하고 엔진 오일 레벨이 자동차 문제의 원인이 아니라고 결론을 내린다. 문제를 더 자세히 해결하기 위해 새로운 가설을 세우고 테스트한 다음 이 과정을 다시 반복할 수 있다.

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