따라서 [제시문 1]의 (가)와 (나)글이 각각 논제1，논제2의 뼈대가 되고， 여기에 [제시문 2]를 얹어가면서 쓰되，최종적으로는 과학적 탐구의 개념에 대한 원리적 이해가 목표다.
지면의 한계로 [제시문 2]는 대폭 편집하여 싣는다.
<문항 1>
[제시문 1]
가우리가 어떤 문제에 부딪혔을 때， 정확하고 신뢰할 만한 해결책을 찾으려면 과학적 사고를 통한 탐구가 필요하다.
과학 탐구 과정의 구성 요소는 1)문제를 인식하여 연구 대상을 정하고， 2)가설을 세운 후， 3)가설을 확인하기 위해 실험과 관찰을 수행하고， 4)실험과 관찰을 통해 얻은 자료를 해석하여， 5)결론을 도출하는 것이다.
문제를 인식한다는 것은 모든 탐구 활동의 출발점으로서，'왜 그럴까'라는 질문을 던지는 것이다.
문제 인식은 논리적이거나 분석적인 사고 과정을 거치기도 하지만，현상에 대한 직관적인 인식을 통해 이루어지기도 한다.
가설이란 예상되는 잠정적 결론으로서 검증 가능해야 한다.
실험과 관찰은 문제 및 가설에 부합해야 한다.
실험과 관찰을 통해 얻은 자료에서 어떤 규칙성이나 경향을 찾아내어 명제화하는 것이 자료 해석이다.
결론을 도출한다는 것은 실험 및 관찰 자료를 비교하거나 관련성을 조사하고， 반례 여부를 검증하여 일반화하는 것을 말한다.
모든 탐구 과정이 이 구성 요소들을 모두 갖추고 있지는 않다.
어떤 요소는 생략되거나 중복되기도 하고， 또한 시간에 따라 진행 순서가 달라지기도 한다.
이 과학 탐구 과정은 자연 현상뿐만 아니라， 문제의 성격에 따라서 인간과 사회를 탐구하는 데에도 적용될 수 있다.
나과학적 주제를 탐구하려면 과학적 사고가 바탕이 되어야 하는데， 과학적 사고의 첫째 요소는 기존 지식에 대한 반성이다.
무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어진다는 기존 지식에 대한 반성적 사고가 있었기 때문에 갈릴레이는 무거운 물체와 가벼운 물체가 같은 속도로 떨어진다는 생각을 하게 되었다.
과학적 사고의 둘째 요소는 지식의 정량화이다. 무거운 물체가 가벼운 물체보다 빨리 떨어진다면 막연히 '더 빨리'가 아니라 구체적으로 몇 배 더 빠른지 정량화해 보아야 한다.
예를 들어 가벼운 물체와 무거운 물체를 같이 붙여서 떨어뜨리면 전체 무게는 더 무거워지므로 무거운 물체보다 더 빨리 떨어질 수도 있고， 무거운 물체의 속도보다 가벼운 물체의 속도가 느리기 때문에 더 늦게 떨어진다고 볼 수도 있다.
이렇게 정량화해 보면 무거운 물체가 더 빨리 떨어진다는 생각의 문제점을 알게 된다.
지식을 정량화하기 위해서는 객관적인 측정이 필요하다.
과학적 사고의 셋째 요소는 지식에 대한 실증적 검토이다.
지식은 검증되어야 하며， 실험은 그 검증 과정이다.
무게가 다른 두 물체를 실제로 떨어뜨려 보는 것이 바로 그것이다.
검증이란 예측이 가능한 상황에서만 가능하다.
실제 상황에서는 다양한 변인(變因)이 존재한다.
실험은 이 변인을 인위적으로 통제할 수 있는 상황에서만 가능하다.
이런 의미에서 실험은 관찰과 차이가 있다.
과학적 사고의 넷째 요소는 지식(가설)의 반증 가능성이다.
과학적 명제는 반증이 가능하도록 명료하게 제시되어야 한다.
과학적 사고의 다섯째 요소는 개별지식을 모아 합리적 체계로 설명하는 것이다.
[제시문 2]
<…전략…> 케플러의 초기 탐구는 코페르니쿠스의 태양 중심적인 우주 체계를 재검토하는 것에서 출발했다.
태양 중심 체계를 더욱 자세히 연구하면서 케플러는 코페르니쿠스의 우주론에 불분명한 점들이 있음을 발견했다.
행성들이 무엇 때문에 그처럼 특정한 거리에 위치하는지에 대해 코페르니쿠스는 아무런 근거도 제시하지 않았다.
케플러는 궁금했다.
왜 행성들은 그렇게 특정 거리로 떨어져 있는가？
왜 행성은 반드시 6개인가？
그리고 왜 신은 태양계를 하필 그런 식으로 설계했을까？
1595년 케플러는 이 문제를 해결할 실마리를 발견했다.
1년 전부터 그라츠 대학에서 수학과 천문학을 가르친 그는 수업 시간에 원에 내접하는 정삼각형을 작도하고 있었다.
그리고 다시 그 정삼각형에 내접하는 원을 그리던 순간 깨달았다.
큰 원과 작은 원의 크기 비례가 토성 궤도와 목성 궤도의 크기 비례와 일치한 것이다.
다시 작은 원에 내접하는 정사각형을 작도한 다음 그 정사각형에 내접하는 원을 그린다면， 그 원들 사이의 비례는 토성과 목성 궤도에 대한 화성 궤도의 상대적인 비례와 일치할 것이다.
그는 어렴풋이 깨닫는다. 그와 같은 기하학적 원리가 모든 행성 궤도 사이의 크기에 대해서도 성립하지는 않을까？
신은 기하학을 원형으로 삼아 우주를 창조하지는 않았을까？
평면 기하학으로는 불충분했다. 입체 기하학을 동원해야 했다.
무엇보다 우주는 3차원이었다.
3차원이라는 사실에 착안해 그는 원 대신 구를， 다각형 대신 정다면체를 가지고 연구에 매진했다.
<…중략…>
자기 해석·읽기가 없는 독해는 결코 좋은 답안일 수 없다
이런 내용이 담긴 케플러의 「우주의 신비」(1596년)는 코페르니쿠스적 우주의 짜임새에 관한 견해이며， 나아가서 기독교와 피타고라스적 종교성의 융합이었다.
케플러는 자신의 상상과 추론이 기존에 알려진 관측 자료와 다르고 이론적으로도 적용되기 어렵다는 것을 바로 알았다.
하지만 놀랍게도 공식을 통해 얻은 행성 사이의 거리는 그가 다면체 가설에서 설정한 거리와 비슷했다.
즉 우주의 구조에 대한 결론은 타당하지 않았지만 그는 실패를 통해 나중에 행성 운동의 법칙으로 귀결될 과학적 단서를 얻었다.
<…중략…> 케플러의 첫 번째 가정은 기하학적인 조건으로서， 지구 공전 궤도면과 화성 공전 궤도면이 태양의 중심에서 교차한다는 것이다.
두 번째는 물리학적인 조건으로서 태양에 행성 운동의 원인이 되는 힘을 부여하는 것이다.
케플러는 태양의 힘과 평형을 이루는 다른 힘을 각 행성에 주고，태양과 행성이 동등한 상태에서 무한히 투쟁하여 행성의 궤도가 결정되게 했다.
이를 통해 태양의 힘은 거리가 멀어짐에 따라 감소하며， 행성의 속도와 힘의 근원으로부터의 거리 사이에는 반비례 관계가 성립한다고 가정했다.
즉 행성이 태양으로부터 힘을 얻어 운동하는 것이라면 지구의 공전 운동 역시 다른 행성과 다르지 않을 것이고， 그렇다면 지구 역시 태양과 가까워질수록 빨리 움직이고 멀어질수록 느려질 것이다.
행성 궤도를 유추하려는 물리학적 시도는 드디어 상상을 넘어 확신으로 발전했고， 그의 가설은 적중했다.
<…중략…>
그런데 관측된 위치와 이론적으로 예상된 위치 사이에 8분(1도＝60분) 정도의 각도가 어긋난다는 것이 발견되었다. 그것은 아주 작은 차이였다.
티코 이전이라면 그것은 발견되지 않았을 것이다.
8분의 각도를 가지고 6년을 힘들게 연구했다는 사실은 케플러가 얼마나 과학적 사고에 투철했는지를 말해 준다.
그런데 바로 이 8분의 오차를 규명하기 위해 케플러는 화성의 궤도가 원이 아니라 다른 형태일 것이라고 생각하기 시작했다. <…중략…>
이 문제에 대한 해답이 공인되기까지의 과정은 오류의 연속이었다.
스무 가지에 이르는 많은 가설은 입증되지 않았고， 잘못된 계산 방법과 결과도 무수히 반복되었다.
그러던 중 또 하나의 발견에 도달했다. 달걀형과 원 사이에 생긴 초승달 모양의 최대 폭은 반지름의 0.00429배였다.
그는 또 이 측정과는 완전히 독립적으로， 화성에서 태양과 궤도 중심에 그은 선분이 이루는 최대각이 5도18분이라는 것을 측정했다.
이 각의 시컨트(코사인의 역수) 값이 1.00429라는 것이 그를 놀라게 했다.
이 값은 우연일 리가 없었다.
그러나 안타깝게도 그는 이 관계가 타원을 정의하는 조건의 하나라는 사실을 몰랐기 때문에 계산을 반복했으며， 그 과정에서 타원의 두 초점 중 하나가 태양의 위치와 정확히 일치한다는 사실을 발견했다.
<…중략…>
사실 그 타원 궤도는 화성이 자신의 원형 공전 궤도에서 4분의 1 되는 지점에 도달하는 순간 태양에서 떨어진 거리가 얼마인지를 계산하는 과정에서 비롯됐다. 순간적으로 그는 그 거리를 계산할 정밀한 삼각측량법(삼각형의 한 변의 길이와 두 개의 끼인 각을 알면 그 삼각형의 나머지 두 변의 길이를 알 수 있다는 원리를 이용한 측량법)이 존재한다는 사실을 떠올렸다.
거리를 계산해 본 결과， 화성 궤도는 정말로 타원을 그리고 있었다. 더 나아가 그는 화성이 타원 궤도를 도는 동안 태양과 거리가 어떻게 변하는지도 정확히 알아냈다. 그 타원 궤도는 케플러의 오래된 고민， 즉 면적 속도 일정의 법칙에서 근사값의 정밀도를 높이는 문제를 말끔히 해결해 주었다.
순간 생각의 물줄기가 솟구쳤다. 그는 그 순간을 "마치 꿈에서 깨어나 새로운 빛을 보는 것 같았다"고 썼다. 행성 운동의 제 1법칙이 탄생했던 것이다.
행성의 운동은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도였던 것이다. <…하략…>
<논제 1>
[제시문 2]는 행성의 운행 법칙이 밝혀지는 과정을 보여준다.
행성의 운행 궤도가 원이 아니라 타원이라는 사실이 입증되는 과정을 [제시문 1] (가)에서 기술된 '과학 탐구 과정'에 따라 재구성해 보시오.
<논제 2>
[제시문 1](나)에서 기술된 '과학적 사고의 다섯 요소'를[제시문 2]에서 찾아 설명하시오.
⊙ 논제는 제시문 이해의 길잡이， 제시문 이해가 논제의 목표
논제는 제시문의 독해가 제대로 되었는가를 측정하고자 한다.
우리가 읽어야 할 것은 제시문 자체는 아니다. 글은 단지 빛일 뿐이고， 우리는 빛이 아니라 빛이 비추어준 세계와 인간에 대해 보고，써야 한다.
이것이 제시문을 그대로 복사한 답안을 피하는 기본적인 전략이다. <제시문 1>과 <제시문 2>에서 다음과 같은 답변도 나올 수 있다.
프톨레마이오스의 천동설은 하늘 세계를 보다 합리적 질서로 확보하려 한 노력이었다.
하지만 그의 하늘은 수많은 주전원이 그려지는 복잡한 구조였으며， 코페르니쿠스가 보기에 이것은 명료하거나 단순하지 못하였다.
그는 빛나는 태양을 우주의 중심에 놓았고， 이를 통하여 단순하고 조화로운 세계를 열었다.
케플러가 주목한 것은 보이는 현상이 아니라， 그 이면의 질서였다. 행성들은 왜 그렇게 특정한 거리에 상대적인 비례관계에 있는 것일까？
원과 삼각형에서 찾을 수 있는 크기，면적，비율의 규칙성은 하늘에서도 나타날까？
그는 개별적 지식을 모아 합리적 체계로 설명하고자 하는 최종결과를 추구했고， 그 과정으로서 가설과 관찰， 이에 대한 검증과 재검토， 그리고 그 사이사이를 메우는 상상력을 폄으로써 이러한 의문을 해결하고자 한다.
케플러의 과학적 발견에서 토대가 된 것은 무엇보다 기존의 지식이었다.
그는 기존에 확인된 사실을 기초로 하여 자신의 가설을 쌓는다. 태양을 중심에 놓았고， 기하학에서 도출한 내접외접 삼각형과 원의 비례식을 행성의 거리나 공전주기의 비율과도 연결하였다.
평면의 기하학을 공간의 입체기하학으로 바꾸어 설명하는 것 또한 합리성을 기초로 하는 전형적인 가설단계에 속한다.
다음에 과학이 해야할 일은 가설들을 사실들로 검증하는 것이다.
가설의 탑은 사실이라는 중력을 견딜 수 있을까？ 그는 티코 브라헤가 보유하고 있었던 관측자료를 확보하고， 가장 관측이 쉽고 특징을 명확한 화성을 집중적으로 관찰해 간다.
관찰과 상상력 혹은 가설과 검토는 반복되기도 하고 비약하고， 복합적으로 작용한다.
이때 과학을 구성하는 핵심요소는 정량적 측정이다. 행성운동이 관측된 결과와 원운동을 한다면 이론적으로 예상된 위치 사이에 8분(1도＝60분)의 각도가 어긋났을 때 케플러는 새로운 가설을 생각한다.
이처럼 미세한 사실이 발견된 것은 6년이나 거듭해 온 관찰의 결과였으므로 단순한 오류나 착각일 수 없었고， 이 때문에 가설의 변환으로만 문제를 해결할 수 있다고 본 것이었다.
그 돌파구로서의 행성 타원운동을 한다는 가설이 제기되었다.
그런데 그 달걀형 궤도는 정확이 어떻게 정량적인 것이 되어야 하는가？
측량을 통해 달걀형과 원형 사이에 생긴 초승달 모양의 최대 폭의 반지름이 0.00429배였고， 이 측정과 완전히 독립적인 태양과 궤도 중심에 그은 선분이 이루는 각이 다시 5도18분임이 측정된다.
이 각이 시컨트(코사인의 역수)값 1.00429라는 발견은 곧바로 행성의 운동이 타원이라는 이론적 증명이 될 수 있다.
하지만 그 이론을 몰랐던 케플러는 지루한 계산，즉 측정값에 대한 분석과 검토를 통하여 화성의 궤도가 타원임을 도출해 낸다.
두 정점에서 거리의 합이 일정한 점들의 집합으로서 정리되는 타원의 정의에서는，태양과 행성을 연결하는 선이 같은 시간에 같은 면적을 쓰고 지나간다는 케플러의 2법칙이 도출될 수 있다.
관찰은 분석과 정리를 통하지 않고는 단순히 부뚜막의 소금，꿰이지 않은 구슬 서말에 불과한 것이다.
이로써 케플러는 운동력의 근원인 태양에 가까울수록 행성의 속도가 빨라지고 멀어질수록 속도가 느려진다는 애초의 가설을 확인해 낸다.
더불어 그는 행성의 원운동이 타원이라는 점을 추가해 발견했고， 이는 행성의 원운동이라는 코페르니쿠스적 발견에서 행성의 궤도가 타원형이라는 점을 발견해 냄으로써 만유인력을 기초로 하는 뉴튼의 사고로 이어지는 다리를 놓게 된다.
논술의 쓰기 원칙은 단순하다. 쓰고자 하는 바를 쓰인 바가 되도록 해야 한다.
쓰기는 케플러의 행성운동법칙을 고스란히 다시 적어내는 것도 아니고， 5개의 목록들을 다시 나열하는 것도 아니다.
개념을 파악하고， 그로부터 나아가고， 자신에게 적용하여 발전의 기초로 삼아야 한다.
이는 주어진 길에서 벗어나 위험할 수 있지만， 자기해석과 자기 읽기가 없는 독해는 결코 좋은 답안일 수 없다.
