[요약정리] Golinski, Jan. (1995). ""The Nicety of Experiment": Precision of Measurement and Precision of Reasoning in Late Eighteenth Century Chemistry"

번역: 천현득 역, ""실험의 정확성": 18세기 후반 화학에서 측정의 정밀성과 추론의 정밀성" in 프리즘: 역사로 과학 읽기.

계몽기의 경향: 정밀 측정 추구

18세기 과학사에서 정량화는 중요한 쟁점이다. 과학의 다양한 분야에서 진보는 측정의 정밀성을 높이고 수학적 형식을 도입하는 것을 의미했다. 통계적 방법, 정밀 측정, 수학적 형식화, 기하학적 추론 스타일 등은 계몽기에 널리 퍼져 있던 경향이었다. 이러한 배경에는 도구의 개선과 국가 관료제의 성장이 있었다.

이런 맥락에서, 1170년대와 1780년대 "화학혁명" 시기 정량적 방법들이 화학에 도입되는 문제를 살펴볼 가치가 있다. 라부아지에는 화학 반응에 참여하는 물질들의 무게를 결정하고 그 때 일어나는 열 교환을 측정하기 위해 저울이나 열량계 등의 측정 기구들을 사용했다. 그럼으로써 그는 연소, 하소, 호흡에서 교환되는 존재자가 플로지스톤이 아니라 산소라는 자신의 주장을 입증하고 널리 수용되게 했다. 반응물과 생성물의 양을 정밀하게 측정하는 것은 화학 반응에서 무게가 보존됨을 전제한 것이면서 동시에 보여주는 것이기도 했는데, 그러한 정밀 측정이 라부아지에가 찾던 증거를 제공해 주었던 것이다.


라부아지에: 정밀 측정의 논증적 역할 강조

화학에서의 이런 경향을 해석하는 다양한 입장들이 있다. 첫째는 이미 수학화된 실험물리학이 화학에 영향을 끼침으로써 화학을 성숙한 과학으로 만들었다는 것이다. 그러나 이런 설명은 당시 실험물리학이 이미 수학화되었다는 의심스러운 가정에 근거를 두고 있기 때문에 설득력이 약하다.

둘째는 무게 측정법이 라부아지에의 고유한 탐구 활동 양식에 깊이 뿌리내리고 있었다는 것이다. 저자는 이런 입장을 발전시키고자 한다. 즉, 라부아지에의 정밀 측정은 그것이 사용된 맥락 안에서 그 중요성을 획득했다는 것이다.라부아지에는 무게 및 다른 양들을 측정해 대차대조표 안에 배치하려 했는데, 이는 물질의 총량이 보존되는 일반적인 자연 질서 안에서 화학종들이 변환된다는 것을 나타내는 것이었다. 이러한 정량화는 라부아지에가 자신이 옳았다는 것을 다른 사람들에게 설득시키는 논증에 쓰였다.


정밀 측정의 의의를 둘러싼 논쟁들

그러나 라부아지에의 측정의 의미에 대해 당시에 많은 논쟁이 있었다. 플로지스톤 이론가들은 정밀 측정과 논증적 추론이 연결된다는 주장에 대해 이의를 제기했다. 라부아지에는 실험의 정확성에서 그 결과[산소 이론이 옳다는 것]가 연역될 수 있다고 주장했지만, 비판자들은 측정과 논증 사이의 밀접한 관계에 의문을 품었다. 측정의 정밀성과 추론의 정밀성이 라부아지에의 실행에서는 정량화 정신의 두 요소로 연결되어 있었지만, 반대자들에게 두 가지는 별개의 것이었다.

비판자들은 라부아지에의 실험을 재연하는 데에 어려움을 겪었고, 실험에 사용된 기계의 작동을 문제 삼았다. 실험 과정의 정확성을 믿지 못했다는 것이다. 플로지스톤이 빠져나갈 때 무게가 증가하는 현상에 대해서도 플로지스톤 이론가들은 대안적인 설명을 가지고 있었다. Kirwan은 방출된 플로지스톤이 대기 중의 탈플로지스톤화 공기와 결합되어 고정된 공기(이산화탄소)를 형성한다고 보았다. 그러고 나서 그 고정된 공기는 고체 잔여물과 화학적으로 결합해서 금속회나 산을 형성한다는 것이다.

연소 이론에 대해서는 경쟁 설명들이 있었지만, 물의 합성이라는 쟁점에서는 라부아지에가 성공할 수 있었다. 라부아지에는 물은 두 기체가 결합했을 때 나오는 유일한 산물이며, 캐븐디쉬 등의 주장과 달리 원소가 아니라 화합물이라고 주장했다. 이러한 해석은 기존에는 라부아지에가 설명하기 어려웠던 두 현상들을 설명할 수 있었다. 금속이 산에 녹을 때 발생하는 가연성 공기는 물이 분해된 산물이라고 설명할 수 있었다. 그리고 가연성 공기에 의해 납 회와 다른 금속회가 환원되는 현상은 가연성 공기가 금속회에서 나온 산소와 결합하여 물을 합성한 것으로 이해될 수 있었다.

그러나 비판자들은 라부아지에의 해석을 받아들이지 않았다. Watt는 반응 용기에 담겨 있는 무게를 잴 수 있는 물질들의 무게 관계가 그 반응에 참여한 요소들을 모두 포함하지 않을 수도 있다고 보았다. 이에 라부아지에는 물이 화합물이라는 주장이 받아들여지면 기존의 시연보다 더 설득력있는 증명이 필요함을 깨달았다. 그는 반응물과 생성물의 양을 더 정확하게 측정하는 쪽으로 접근했다. 그가 보고한 실험 결과에는 소수점 8자리까지 측정된 수들이 기록되었다. 이는 고도로 정밀학 측정술에 대한 전문적 지식이 필요함을 시사하고, 라부아지에의 주장을 더욱 그럴듯하게 만들기 위한 것으로 보인다.

그러나 커완과 프리스틀리는 여전히 라부아지에의 해석을 거부했다. 그들은 라부아지에가 실험 철학자들이 현상에 대한 가설적인 이론적 설명을 부과하지 않은 채로 관찰한 것만 기술해야 한다는 규약을 위반했다고 주장했다.

라부아지에는 새롭고 더 정교한 기구를 활용해 정확하게 정량적 무게를 측정하고자 했고, 이를 대규모의 치밀하게 준비된 시연에서 보여주었다. 시연에 참가한 아카데미 회원들은 기구를 검사하고 측정하고 결과 기록에 서명했다. 즉, 목격하기, 기록하기, 인증하기의 절차는 그 결과에 신뢰성을 보증해주었고, 참가자들이 결과의 타당성에 책임을 지게 했다. 라부아지에는 무게와 측정으로 조성(85:15)을 분석하였는데, 이는 현상적 성질들을 비교하거나 친화성을 기록하는 것보다 더 객관적이고 확실한 방법을 제공했다. "가연성 공기 15 그레인과 생명의 공기 85 그레인을 함께 태워 정확히 100 그레인의 물을 얻고, 분해의 방법으로 동일한 원소들을 똑같은 비율로 되찾을 수 있다는 것을 보고나서, 어떻게 그 이론을 의심할 수 있겠는가?"

위의 구절에서 물의 조성에 대한 라부아지에의 논증은 다음 네 가지 구성요소로 구별된다.

• 각 부분들의 무게를 더하면 전체의 무게가 된다.
• 결합비가 알려졌다.
• 그 무게들은 매우 정확히 측정되었다.
• 이 절차는 어떤 의문도 남기지 않고 물의 조성 이론을 정당하게 받아들이게 한다.

그러나 라부아지에의 전략은 공격받을 수 있는 점들도 많이 드러냈다. 반대자들은 실험기구의 적절성과 신뢰성, 실험의 재연가능성, 실험을 보고하는 논증 형식, 정확성, 그 정확성이 타당한 증명을 제공한다는 내포 등이 의심되었다. 프리스틀리는 실험에 사용된 기구는 결론에 필요한 만큼의 정확성을 가지지 못했고, 결과를 끌어내기까지 너무 많은 수정, 오차 허용, 계산이 들어갔다고 지적했다. 그리고 그보다 중요한 것으로, 정밀 측정의 방법이 실험의 재연 가능성을 줄였다는 점이 문제였다. 재연은 프리스틀리가 꿈꾸던 민주적이고 평등한 과학 문화가 가진 중요한 특성이었다.

Keir는 라부아지에의 화학이 기하학적 논증 수준의 확실성을 지닐 수 없다고 비판했다. 물의 조성을 포함해 새로운 화학 이론의 많은 면은 여전히 가설적이고, 따라서 기하학적 정밀성은 화학에 적용될 수 없다는 것이다. 대신 케어는 화학자들이 물체의 현상적 성질을 조사하고 분류하는 데 만족해야 한다고 보았다. 이는 끊임없는 진보를 약속한 당시의 자연사를 모델로 삼은 것이었다. 현상에 대한 해석은 현상에 질서를 부여하기 위해 가설적 도식을 적용하는 것으로, 너무 확연한 부차적 타당성만을 지닐 뿐이었다. 현상적 사실과 해석 사이를 정밀 측정이 이어줄 수 없다고 본 것이었다.

라부아지에의 다른 비판자들은 정밀 측정 기획에 좀 더 호의적이었다. 커완은 다른 측면에서는 라부아지에에 반대했지만 라부아지에가 실험에 수학적 정밀성을 도입한 최초의 사람이라고 칭찬했다. 그는 정밀 측정이 라부아지에의 주장을 증명할 수 있다는 것을 원칙적으로는 받아들였던 것으로 보인다.

그러나 더 일반적인 이론적 문제들이 해결되지 않으면 정밀 측정의 방법은 결정적인 것으로 받아들여질 수 없었다. 실험자의 회귀 문제가 있었던 것이다. 정밀 측정 자체가 실험을 결정적으로 만들지는 못했다.


실험 기구의 정밀성과 유효 숫자 문제

니콜슨은 어떤 측정들, 특히 기체의 무게 측정은 받아들이기 어려울 정도의 정확성을 보여준다고 생각했다. 기체의 무게를 라부아지에게 주장한 만큼 정밀하게 측정하기는 어렵다는 것이다. 이로써 라부아지에의 세 번째 요소의 약점을 노출시켜 네 번째 요소의 설득력을 감소시켰다. 니콜슨은 유효 숫자를 정확히 지켜야 한다고 보았다. 저울의 정확성이 알려지면 정당한 자릿수보다 더 많은 자릿수를 기록하면 안 됐다. 라부아지에가 그렇게 하지 않았다는 점은 그의 논증의 타당성을 훼손하는 것으로 여겨졌다. 라부아지에는 기구의 정밀성을 추정했지만, 그 기구들로 수행한 측정에서 정당하게 기록할 수 있는 유효 숫자가 어디까지인지 분명하게 말하지 않았다. 니콜슨은 측정이 매우 정확하다는 점에 호소한다고 해서 언제나 실험 결과가 이론의 그럴듯함을 높여주는 것이 아니고, 이용할 수 있는 기구들이 허용하는 한계를 넘어 과도하게 정확성을 주장하는 것은 오히려 결과의 설득력을 떨어지게 한다는 점을 지적한 것이다. 당시 사람들은 니콜슨의 생각을 공유하지 않았다. 당시 사람들은 민감한 기구들이 특히 오류를 일으키기 쉽다는 인식은 가지고 있었찌만, 유효 숫자에 예민하게 반응하지 않았다.