실험

섬네일 **실험**(實驗, experiment)은 가설이나 이론이 실제로 들어맞는지를 확인하기 위해 다양한 조건 아래에서 여러 가지 측정을 실시하는 일이다. 지식을 얻기 위한 방법의 하나이다. 실험은 관찰(측정도 포함)과 함께 과학의 기본적인 방법의 하나이다. 다만 관찰이 대상 그 자체를 있는 그대로 알아보는 일이라면, 실험은 어떤 조작을 가해 그에 따라 일어나는 변화를 조사하고 결론을 내는 일이다.
# 개요
실험은 서로 경쟁 관계에 놓인 모델이나 가설들을 비교 대조하는 과학적 방법론의 한 단계이다.Coopersstock, Fred I. General Relativistic Dynamics: Extending Einstein’s Legacy Throughout the Universe. Page 12. World Scientific. 2009. Griffith, W. Thomas. The Physics of Everyday Phenomena: A Conceptual Introduction to Physics. Page 4. New York: McGraw-Hill Higher Education. 2001. . 실험은 또한 이미 존재하는 이론이나 새로운 가설들을 뒷받침하거나, 혹은 반증하는 데 쓰인다. 과학적인 의문에 대한 답변을 얻거나 문제에 대한 조사를 하기 위한 목적으로 실험을 설계하고 수행할 수 있다. 첫 번째로는 관찰이 이루어져야 한다. 그에 따라 다음으로 과학적 의문, 혹은 문제가 발생하게 되고. 그 다음에는 가설이 형성된다. 그리고 나서 실험을 수행하여 그 가설을 검증하게 된다. 결과를 분석하고 결론이 나오면, 때때로 이론이 형성되고, 연구 논문을 통해 그 결과가 공유되게 된다. 좋은 실험은 대체로 특정한 가설을 검증하는 실험이다. 그렇지만, 실험은 질문이나 이전 실험의 결과를 테스트할 수도 있다. 실험의 모든 요소를 파악하는 것과 정확한 결과를 얻는 것은 실험 과정 중 가장 중요하다 할 수 있다. 만약 어떤 실험이 신중하게 이루어진다면, 그 실험의 결과는 가설을 뒷받침하거나 혹은 반증할 것이다. 여기서 주목하여야 할 점은 실험은 가설을 단지 뒷받침할 수만 있을 뿐, 절대 "증명"할 수는 없다는 점이다. 하지만 반복되는 실험에서 단 하나의 반례라도 이론이나 가설을 반증할 수 있다. 또한 실험은 반드시 변인-실험의 정확성, 실험의 반복 가능성, 혹은 실험의 해석에 영향을 미칠 수 있는 모든 요인이 정확하게 통제되는 상태에서만 이루어져야 한다.생명과학 7판, Campbell 저, 전상혁 역, 바이오 사이언스 출판, 2008.09.01 이러한 실험에 있어서 교란 요인을 통제하는 것은 매우 중요하기 때문에, 연구자들은 가능하면 적절하게 설계된 실험실 실험을 하는 것을 선호하는 편이다.
# 실험의 종류

## 제어 실험
원인과 결과를 설명하는 가설을 증명하기 위하여, 실험은 종종 몇 가지 사실을 보여야만 한다. 예를 들자면, 피실험자 혹은 실험체에 특정한 기작이 가해진 뒤에 현상이 발생하고, 이러한 기작이 가해지지 않으면 현상이 발생하지 않음을 보여야 한다는 것 등이 있을 수 있다. 제어 실험은 실험군의 실험 결과를 대조군의 실험 결과와 비교하는 방식으로 수행된다. 이 때 대조군은 실험을 통해 결과에 영향을 미치는지 판단하고자 하는 단 하나의 조건(자유 변인)만 실험군과 다르고 다른 모든 조건은 실험군과 일치해야 한다(통제 변인). 대표적인 예로는 의약품 개발등이 있을 수 있다. 이 실험에서 개발된 약의 시제품을 처방받는 그룹은 실험군이 되고, 모양만 같은 플라시보 약품을 처방받는 그룹은 대조군이 된다. 실험을 수행할 때에는 실험군과 동일한 방식으로 양성표준시료와 음성표준시료에도 실험을 수행하여 그 결과를 서로 비교하게 된다. 이렇게 반복적으로 수행된 실험의 해석은 대체로 그 결과를 평균하는 방식으로 이루어지지만, 여타의 실험 결과와 지나치게 동떨어졌다고 생각되는 실험 결과의 경우에는 실험 오차로 간주하여 제거하고 결과를 해석하기도 한다. 일반적으로 실험은 1회로 그치지 않고 2번, 3번 이상 반복하여 수행한다. 양성표준시료의 경우에는 이전의 실험을 통해 입증된, 그 효과가 확실한 실험을 가리키는 말이다. 음성표준시료의 경우에는 효과가 나타나지 않음이 확실한 실험이다. 양성표준시료가 필요한 이유는 설사 어떤 실험군도 효과를 나타내지 않더라도, 실험의 설계나 실험 환경 자체에는 문제가 없음을 보이기 위해서이다. 음성표준시료는 아무런 효과도 발생하지 않을 때 실험 결과가 어떠한 형태를 나타내는지를 알려준다. 실험 결과 분석에서는 종종 음성표준시료의 결과값만큼을 실험군의 결과값으로부터 소거하여 그 효과를 판단하기도 한다. 양성표준시료의 결과는 사분면 상에서 표준 곡선을 그리기도 한다. 실험 교육에서 주로 볼 수 있는 제어 실험의 예로는 단백질 분석이 있다. 이 실험에서 학생들은 미지의 양(학생들에게는)의 단백질이 포함된 유체 시료를 받는다. 그들은 주어진 유체 시료(일반적으로 '미지 시료'라고 부르는)를 가지고 제어 실험을 올바르게 수행하여 단백질의 농도를 구하는 작업을 하게 된다. 실험실에는 보통 포함된 단백질의 농도가 알려져 있는 표준 단백질 용액이 구비되어 있다. 학생들은 이 표준 용액을 희석하여 단백질의 비율을 다르게 한 여러 종류의 양성표준시료를 만들 수 있다. 음성표준시료의 경우에는 단백질만을 제외하고 유체 시료를 만드는 데 사용된 다른 모든 구성 재료를 똑같이 혼합하여 만들어 사용하게 된다. 이 실험에서, 모든 샘플은 2개 이상씩 중복하여 만든다. 이 시료는 비색법을 이용하여 분석할 수 있는데, 이는 분광 광도계가 단백질 분자와 염료 분자가 상호 작용하여 이루어진 복합체의 색채를 감지하여 시료에 내재된 단백질의 양을 감지할 수 있기 때문이다.Investigating Biology Lab Manual, Morgan, Judith Giles, Carter, M. Eloise Brown 저, Addison-Wesley, 2004.12.10 제어 실험은 실험의 모든 조건이 정확하게 통제되기 어려울 때 많이 행해진다. 이러한 경우, 확률적인 가능성의 면에서 동등한 2개 혹은 그 이상의 시료 그룹을 만드는 것으로 실험을 시작한다. 이것이 성립하려면, 동일한 실험적 처리 과정을 거쳤을 때 반응이 동일한 상태에서 일어나야 하고, 각각의 시료에 대한 측정이 서로 유사한 특징을 보여야 한다. 이러한 등가성은 각각의 시료 그룹에 포함된 개별적인 시료의 개수와 개별적인 시료 사이의 차이를 고려하여 통계적인 방법으로 판단할 수 있다. 개별 대상 사이의 차이가 거의 없고 시료군에 보통 수백만에 달하는 개체들이 포함되는 미생물학과 화학과 같은 영역에서는 용액을 잘게 나누어 똑같은 시료 그룹을 다수 만들고, 앞에서 언급한 통계적인 방법도 보통 우회적인 방식으로 사용한다. 이런 동등한 시료 그룹이 만들어지면, 실험자는 각각의 시료에 그 혹은 그녀가 차이를 두고자 하는 단 한가지의 조건-통제 변인-에만 변화를 주고 다른 모든 조건과 처리는 동등하게 유지한다. 인간을 대상으로 한 실험에서는 플라시보 효과와 같은 외적 변수를 막기 위해 특별한 안전책이 필요하다. 그런 실험에서는 주로 이중 맹검법을 이용하는데, 이중 맹검법이란 모든 실험 데이터가 모아질 때까지 실험을 피실험자와 실험자 모두 각각의 피실험자가 실험군에 속해있는지 대조군에 속해있는지를 알 수 없게 수행하는 방식을 가리키는 말이다. 이것은 실험 자원자 자신이 대해지는 방식 등을 통해 얻게 되는 지식의 영향 없이, 실험으로 나타나는 어떠한 효과도 실험 그 자체로 인한 것임을 확신할 수 있게 해 준다. 인체 실험에서는 특정한 자극에 피실험자가 보이는 반응을 기록하는 실험도 예가 될 수 있다. 이런 유형의 실험의 경우 다른 보편적인 과학에서의 실험방법과는 다르게 시험 방법대로 주어진 자극에 대한 반응을 측정하는 것을 그 목적으로 하게 된다.
## 자연 실험
자연 실험이란 관찰 연구의 일종으로 피실험자 혹은 실험체에게 연구 과제에 관한 처리가 우연적으로 행해지는 경우를 일컫는 말이다. 이는 피실험자 혹은 실험체에 연구 과제에서 의도하는 목적의 처리가 실험자에 의해서 혹은 무작위 추출 방식에 의해서 이루어지지 않는다는 것을 뜻한다. 자연 실험은 명확하게 정의된 모집단에 있어 큰 규모의, 그리고 명확하게 정의된(혹은 노출된) 처리에 의해 이에 대한 반응으로 변화가 일어났을 것이라고 충분히 추정 가능한 개연성이 있는 경우에 가장 유용하다. 자연 실험은 연구 설계 단계에서 제어 실험을 수행하기 어려울 것으로 판단되는 경우에 주로 고려되는 방식으로, 전염병학이나 경제학 분야에서 흔하게 쓰인다. 가장 유명한 자연 실험의 하나로는 1854년 영국 런던에서 있었던 '브로드웨이 콜레라 발발 사건'이 있다. 1854년 8월 31일에 런던 소호지역을 강타하여 이후 3일 동안 브로드 가 주변에 거주하던 127명의 사람들이 콜레라로 인해 죽은 사건이 그것인데 이 사건은 총 616명의 사망자를 내었다. 내과 의사 존 스노우는 사망자와 감염자들의 거주지를 표시하여 만든 지도를 이용하여 이 사건의 근원이 가장 가까운 곳에 위치하던 공공 수도 펌프였다는 것을 규명해 내었는데, 이 규명실험에서 스노우는 이 물의 사용과 콜레라의 발병 및 이에 의한 사망 사이에 강력한 관련성이 있음을 밝혀내었다. 스노우는 이 수도 펌프를 관리하는 상수도 회사가 템즈 강에 오수가 그대로 흘러들어가는 상태에서 이 오염원 투성이의 물을 충분히 정수 처리하지 않고 그대로 수도 펌프를 통해 공급한 결과 이런 비극이 발생하였음을 알아었다. 이는 오수가 강에 유입되는 지점보다 상류에 위치하는 지역에서 물을 끌어다 공급하는 다른 수도회사의 물을 사용한 이들의 경우 감염률이 극히 낮았다는 사실을 통해 뒷받침된다. 19세기 중반 런던의 상수도 시스템의 개발 및 보수에는 콜레라를 연구하는 과학자들이 참여하지 않는 상태였기 때문에, 이러한 사실이 밝혀진 것은 매우 우연적인 사건이었다. 따라서, 이 '브로드웨이 콜레라 발발 사건' 역시 자연 실험의 범주에 속하는 것으로 볼 수 있다.Snow viewed the developments as "an experiment...on the grandest scale." Snow, J. (1855). On the Mode of Communication of Cholera (2nd ed.). London: Churchill. Excerpted in MacMahon, B. & Pugh, T.F. (1970). Epidemiology. Boston: Little Brown.
## 현장 실험
현장 실험은 실험실 실험과 대조하기 위해서 붙여진 이름이다. 종종 사회 과학, 특히 교육과 건강 문제에 관한 개입에 대한 경제적인 분석에 관한 문제에서 주로 행해진다. 현장 실험은 이와 같은 경우에 특히 강한 이점을 지니는데, 왜냐 하면 현장 실험은 인위적으로 통제되는 실험실 실험에 비하여 결과가 자연적으로 도출되기 때문이다. 하지만, 자연 실험과 마찬가지로, 현장 실험은 실험 데이터가 오염될 위험성을 항상 수반한다. 반면 실험실 실험에서는 실험 조건들이 더욱 정확하고 분명하게 조절될 수 있다. 고고학적 실험, 사회과학적 실험 등이 대표적인 예가 될 수 있다.
# 실험 방법론의 역사

## 서양에서의 실험

### 프란시스 베이컨
프란시스 베이컨은 17세기의 영국 철학자로 초기의 실험 과학 전반에 큰 영향을 끼친 인물이다. 그는 과학적인 문제에 대한 해답을 연역적인 방법으로 구하는 것을 반대하였으며, 이를 다음과 같이 표현하였다: "질문에 대한 결론을 스스로가 원하는 대로 결정지어놓고, 그 자신의 견해에 적합한 방향으로 왜곡한 경험에 의지하는데,이는 마치 행렬에 끌려가는 포로를 대우하는 것과 같다."Bacon, Francis. Novum Organum. In Durant, Will. The Story of Philosophy. Page 101. Simon & Schuster Paperbacks. 1926. 베이컨은 반복적인 관측에 의거한 방법론, 혹은 실험이라 부를 만한 것의 필요성을 주장하였다. 그는 오늘날에 통용되는 과학적 방법론의 개념을 최초로 주장한 저명 인사라 할 수 있다. 978-0-671-69500-2 만약 천문학 연구처럼 문제 자체나 주위 여건이 제어 실험을 허락하지 않는 상황이라면, 관찰 연구가 유용할 수 있다. 한 예로, 티코 브라헤는 주의 깊은 관측을 통하여 시간에 따른 별과 행성들의 위치를 구하고 이를 기록하였다. 브라헤가 사망한 후에, 그의 관측 기록들은 그때까지의 공인된 이론이었던 프톨레마이오스의 이론을 뛰어넘은 요하네스 케플러의 '행성 운동의 법칙' 발견에 큰 기여를 하였다. 이후의 세기들에서, 다양한 분야에서 과학적 방법론을 적용한 사람들에 의해 중요한 진보와 발견들이 이루어졌다. 우선 갈릴레오 갈릴레이가 정확한 시간 측정과 실험을 통하여 자유 낙하하는 물체의 속도에 관한 올바른 측정과 결론을 이끌어냈다. 18세기 후반에 활동한 프랑스 화학자인 앙투안 라부아지에는 실험을 통하여 연소, 생화학, 질량 보존의 법칙의 발견과 같은 새로운 영역의 연구를 수행하였다.Bell, Madison Smartt. Lavoisier in the Year One. Page 57. W.W. Norton & Company, Inc. 2005. 19세기에는 과학적 방법론을 이용하여 루이 파스퇴르가 당시의 유력한 이론이었던 자연 발생설을 반증하고, '질병에 관한 세균 이론'을 주창하였다.Dubos, Rene J. Louis Pasteur: Free Lance of Science. Page 155. De Capo Press. 1986.
### 갈릴레오 갈릴레이
갈릴레오 갈릴레이(1564-1642)는 이탈리아의 자연 철학자(혹은 과학자)로, 다양한 주제에 관하여 정량적인 실험을 수행하였다. 몇 가지의 서로 다른 방법을 이용하여, 갈릴레이는 시간을 정확하게 측정하는 것이 가능했다. 이전까지, 대부분의 자연 철학자들은 낙하하는 물체의 운동을 묘사하는 데에 거리와 유클리드 이래로 전해져 온 기하학적인 방법을 이용하였다.Drake, Stillman; Swerdlow, Noel M.; Levere, Trevor Hardly. Essays on Galileo and the history and philosophy of science, Volume 3. Page 22. University of Toronto Press. 1999. .갈릴레오 자신도 실험 결과를 설명하는 데 기하학적인 방법을 이용하였다. 갈릴레이의 성공은 치밀하게 설계된 실험과 실험 장비 외에도 새로운 분야의 수학의 발달에 힘입은 것이었다. 새로운 분야의 수학-대수학-이 이 무렵에 등장한 것이다. 대수학은 이전까지 단순한 형태였던 산술적인 연산 분야를 기하학적인 문제들에 맞먹을 만큼 복잡하고 정교한 수준으로 끌어올렸다. 대수학의 발전 덕택에 갈릴레이와 같은 과학자 - 이후 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인으로까지 이어지는 - 들의 성과를 수식으로 간단하게 표기할 수 있게 되었다. 이러한 수식들은 정확하고 모순되지 않게 물리적인 관계를 설명하였다. 이러한 특징이 드러나는 좋은 예가 '공과 비탈 실험'이다.Solway, Andrew. Exploring forces and motion. Page 17. The Rosen Publishing Group. 2007. 이 실험에서 갈릴레이는 경사진 평면과 무게가 서로 다른 몇 개의 철구를 이용하였다. 자신의 실험 설계대로, 갈릴레이는 철구가 표시된 특정 위치를 지나는 시간을 측정하여, 합리적인 정확도로 낙하 운동의 속도를 느리게 하여 기록할 수 있었다.Stewart, James. Redlin, Lothar. Watson, Saleem. College Algebra. Page 562. Cengage Learning. 2008. 갈릴레이는 물체의 낙하 속도가 무게에 따라 달라진다는 아리스토텔레스의 주장을 반증하였다. 아리스토텔레스의 낙하 운동 이론에 따르면, 무거운 철구가 가벼운 철구보다 더 빨리 땅으로 떨어져야 했다. 반면, 갈릴레이의 가설은 두 공이 같은 거리만큼 낙하하여 땅에 떨어지기까지의 시간은 동일하다는 것이었다. 갈릴레이와는 다르게, 그와 같은 시대의 대부분의 사람들은 물체의 낙하 시간과 같은 짧은 시간 간격을 정확하게 측정할 수 없었다. 갈릴레이는 이러한 짧은 시간 간격을 측정할 수 있는 펄시로곤(pulsilogon)이라는 장치를 발명하였다. 이것은 진자를 이용하여 시간을 측정하는 장치였다.Massachusetts Medical Society, New England Surgical Society. The Boston Medical and Surgical Journal, Volume 125. Page 314. Cupples, Upham & Co. 1891 진자의 주기는 사람의 맥박에 맞추어져 있었다. 그는 이 장치를 이용하여 철구들이 그가 경사면에 표시해 놓은 위치를 지나는 데 걸리는 시간을 측정하였다. 그는 측정을 통해 철구의 무게와 상관없이 그것들이 경사면의 제일 끝까지 떨어지는 데 걸리는 시간은 동일하다는 것과 낙하 거리와 낙하 시간의 제곱 사이에 비례 관계가 성립함을 발견하였다.Tiner, John Hudson. Exploring the World of Physics: From Simple Machines to Nuclear Energy. New Leaf Publishing Group. 2006. 나중에 과학자들은 갈릴레이의 성과를 '물체의 자유 낙하 운동에 관한 수식'으로 정리하였다.Longair, M.S. Theoretical concepts in physics: an alternative view of theoretical reasoning in physics. Page 37. Cambridge University Press. 2003. Schutz, Bernard F. Gravity from the ground up. Page 3. Cambridge University Press. 2003. {|cellspacing="" |- || 중력 가속도(~9.8m/s2)가 g로 나타낼 때, 자유 낙하하는 물체의 낙하하는 거리 d는 다음과 같다: ||\ d=\frac{1}{2}gt^2