우주관 오디세이 - 데카르트의 기계론적 우주관

데카르트(Rene Descartes, 1596-1650)는 관성의 원리를 제대로 이해한 최초의 과학자(철학자)입니다. 근대 과학의 발전은 이 관성의 원리에 대한 이해에서부터 시작되었다고 해도 과언이 아닙니다. 갈릴레이가 이를 맨 먼저 포착했고, 데카르트가 이를 개념적으로 완성했으며, 뉴턴은 이를 수학적 법칙으로 정립했습니다.

그렇다면 데카르트는 관성의 원리를 어떻게 포착했을까요?

데카르트는 자연 운동은 고대 철학자와 코페르니쿠스, 갈릴레이가 생각했던 것과 같은 원이 아니라 직선이라고 통찰함으로써 선배 철학자들의 오류를 바로잡았습니다. 데카르트가 『철학원리』에서 역학의 출발점으로 삼은 것은 '신은 운동의 제1원인이며, 그는 항상 우주 속에 같은 양의 운동을 보존하고 있다'는 명제였습니다. 그는 이 전제로부터 자연학의 기본 법칙으로서 다음의 세 법칙, 이른바 ‘데카르트의 역학원리’를 도출했습니다.

제1법칙: 모든 물질은 가능한 한 항상 같은 상태를 유지하려고 한다. 따라서 한 번 움직여지면 언제까지나 계속 움직인다.

제2법칙: 모든 운동은 그 자신으로서는 직선적이다. 따라서 원 운동 하는 물질은 자신이 그리는 원의 중심으로부터 항상 멀어지려 한다.

제3법칙: 어떤 물체가 다른 물체를 밀 때 그 물체가 동시에 자기의 운동을 똑같이 잃지 않는 한 다른 물체에 어떠한 운동도 줄 수 없으며, 또 자신의 운동이 똑같이 증가하지 않는 한 다른 물체의 운동을 빼앗을 수 없다.

이처럼 데카르트는 제1, 2법칙으로 케플러가 실패하고 갈릴레이가 불완전한 형태로 표현한 ‘관성의 원리’를 처음으로 올바르게 정식화했습니다. 나아가 제3법칙으로 ‘운동량 보존 법칙’의 맹아적 형태, 즉 충돌할 때 운동이 교환된다는 사실을 주장했습니다. 이것은 분명 초기 역학이론의 발전에 커다란 공헌이라고 할 수 있습니다.

그러나 이 같은 입장에서는 물체들 사이의 상호작용은 직접적인 접촉에 의한 운동의 전파, 즉 충격(impulsus)이나 압력(pressura)에 의해서만 이루어질 수밖에 없습니다. 데카르트는 중력 같은 원격작용은 물체들 사이의 공간에 충만한 ‘미세물질’의 압력과 충돌 작용으로 설명되어야 한다고 했습니다.

데카르트의 ‘공간에 충만한 미세물질’이라는 가설로부터 ‘진공의 존재’는 논리적으로 부정됩니다. 따라서 물체들 사이의 어떠한 좁은 간격에도 들어갈 수 있는, 공간을 메우는 ‘미세물질’ 즉 ‘제1원소’가 존재하지 않으면 안 된다는 것입니다.

관성의 원리는 우주와 자연을 수동적으로 본다는 의미

그런데 관성의 원리는 사물 혹은 자연을 철저히 수동적으로 보는 개념입니다. 물체가 외부의 손길이 없으면 그대로 있다는 것은 곧 자연은 능동적으로 움직이지 못한다는 뜻이나 마찬가지입니다. 관성의 원리는 그 자체로 우주와 자연을 기계론적으로 본다는 뜻합니다. 그래서 관성의 원리가 기계론적 우주관의 기초라고 하는 것이지요.

갈릴레이와 데카르트 이전 사람들의 인식을 지배하고 있던 아리스토텔레스 사상에서 물질은 능동성을 갖고 있었습니다. 토마스 아퀴나스에 의하면 영혼은 육체의 형식이며, 영혼과 육체가 함께 인간의 실체를 구성합니다. 근대 이전까지 유럽 사람들은 플라톤의 물활론적 자연관을 상식으로 받아들이고 있었던 것입니다.

그러나 관성의 원리에 의하면 자연은 활성이 없는 수동적인 대상으로 전락합니다. 우주를 거대한 기계로 보는 기계론적 자연관이 이때부터 확립된 것입니다. 이제 자연은 기계로 간주되었으며, 심지어 생명 현상조차도 예외가 아니라고 여겨졌습니다.

데카르트는 자연학의 원리를 전개한 『철학원리』에서 다음과 같이 말했습니다.

“나는 물질적 사물에 관한 명석판명한 개념을 일반적으로 고찰할 것이다. 이 같은 개념은 형태, 크기, 운동이다. 이들 세 가지가 서로 변화할 때 따르는 규칙을 발견하고, 이 규칙이 기하학 내지 기계적 원리라는 것을 규명함으로써 인간이 자연에 대해 가질 수 있는 모든 인식은 필연적으로 이들로부터 얻어야만 한다고 판단했다. 왜냐하면 감각적 사물에 대한 다른 모든 개념은 혼란스럽고 애매할 뿐 아니라 외부의 사물을 인식하는 데 도움이 되지 않고 오히려 인식을 방해하기 때문이다.”

‘명석판명(明晳判明)’이란 인식이나 판단의 진리성에 대해서 아무런 증명도 필요하지 않을 만큼 확실함을 의미하는데, ‘명증(明證)’과 비슷한 의미입니다.

여기서 우리는 데카르트의 기계론적 자연관(우주관)을 만나게 됩니다. 그의 자연학은 기계론적 자연관을 ‘명석판명’한 출발점으로 삼고, 거기서부터 엄밀하고 빈틈없는 추론을 통해 사물의 속성과 행동이 논리적으로 연역되는 체계입니다. 데카르트는 감각을 ‘인식을 방해할 수 있는’ 것으로 여깁니다. 이 때문에 데카르트의 자연학에서는 실험적 검증이 거의 고려되지 않는다는 것을 알 수 있습니다.

당시로서는 매우 진보적인 사상이었던 기계론의 근저에는 물질 세계는 불활성이며 수동적이라는 자연관이 깔려 있습니다. 이런 물질 세계에서 힘은 물체에 직접 접촉해서 충격이나 압력을 주는 방식으로 작용할 수밖에 없다는 결론에 도달합니다. 기계론이 원격작용(중력, 자력)과 마술사상, ‘공감과 반감’ 등을 인정하지 않는 것은 이런 이유에서입니다.

데카르트는 “암석이나 식물 속에는 비밀의 힘이나 반감, 공감이라고 말할 수 있는 것은 아무것도 없다.”며 이전의 자연관에 비해 기계론의 우월성을 강조했습니다.

17세기의 기계론은 마술의 베일을 벗기고 경이로움을 해체하고자 했습니다. 데카르트는 『철학원리』에서 “나는 지구와 눈에 보이는 세계 전체를 마치 기계인 것처럼 서술하고, 그들의 형태와 운동만을 고찰해왔다.”며 자연학의 방법에 대해 다음과 같이 설명합니다.

“자동기계에 숙달된 사람이 어떤 기계의 사용 방법을 알고 있을 때 그 기계의 일부분만 봐도 보이지 않는 다른 부분이 어떻게 만들어졌는지를 쉽게 추측할 수 있듯이, 나는 물질의 감각 가능한 작용이나 부분을 통해서 그 물질의 원인이나 감각할 수 없는 부분이 어떻게 돼 있는지를 탐색하려고 했다.”

데카르트의 이론을 보급하는 데 기여했던 인물 중 퐁트넬(Bernard Le Bovier de Fontenelle)이란 계몽주의 사상가가 있습니다. 그는 뉴턴의 『프린키피아』가 출판되기 1년 전인 1686년 『세계의 복수성에 대한 대화』란 책에서 “오늘날 사람들은 시계를 크게 확대한 것처럼 우주를 생각하고 싶어 한다.”며 그 시대의 최신 자연관인 기계론을 다음과 같이 해설했습니다.

“나에게 자연은 언제나 오페라와 같은 커다란 무대처럼 보인다. 당신이 자리에 앉아 오페라를 보고 있으면 그 장소에서는 있는 그대로의 무대 모습이 완전히 보이지 않는다. 무대 장치나 기계를 배치해 멀리서 보아도 좋은 효과를 낼 수 있게끔 무대가 꾸며져 있지만, 그것들을 움직이는 톱니바퀴나 도르래는 당신 눈에는 보이지 않도록 감추어져 있다.”

세계를 하나의 자동기계로 보고, 무대 표면의 움직임을 무대 뒤의 기계 장치의 효과로 파악하며, 시계 바늘의 움직임을 문자판 뒤에 있는 동력장치와 톱니바퀴의 조정결과로 이해하듯이, 직접 관측된 자연현상을 배후에 있는 기계의 짜임새로 설명하는 것이야말로 자연을 해명하고 자연과학을 이해하는 것으로 보았던 것입니다.

요약하면, 데카르트의 자연철학은 순수하게 기계론적입니다. 그는 모든 관계를 정지와 운동으로 환원합니다. 데카르트에 의하면 모든 물리적 성질과 심지어 유기체의 현상조차도 모두 기계론으로 환원됩니다. 그는 유기체가 독자적으로 사유원리를 소유한다고 생각지 않았습니다. 유기체도 기계와 같이 다른 존재에 의해 운동할 뿐 자기 내적 운동의 원리에 의해 움직이지 않는다는 것입니다.

데카르트는 ‘자연의 법칙’이라는 용어와 개념을 체계적으로 사용한 최초의 사람입니다. 데카르트는 신은 태초에 정한 ‘자연의 법칙’에 따라 세계를 지배한다고 생각했습니다. 신은 세계를 창조한 후 이제까지 이 자동기계에 대해 간섭한 적은 한 번도 없습니다. 세계에 존재하는 물질의 양과 운동의 양은 일정하고 영원합니다. ‘신이 자연 속에 짜 넣은 법칙’도 마찬가지입니다.

데카르트의 공간

데카르트의 자연철학에는 관성의 원리와 함께 ‘연장(extention)’이란 개념이 등장합니다. 그는 실체를 신을 제외한 정신과 물질로 나누었습니다. 정신의 속성은 사유(생각)이며, 물질의 속성은 연장입니다. 이때 연장은 곧 공간과 동일한 개념입니다. 물질이 없는 공간은 없으며, 공허한 공간(진공)이란 존재하지 않습니다. 어떤 물질이 어느 공간에 위치를 점하고 있다는 것은, 그 공간에 다른 물질이 들어올 수 없다는 것을 의미합니다.

중세 신학적 우주관에 의하면, 인간이 살고 있는 세계와 신이 사는 영역은 별개의 장소였습니다. 그러나 모든 물질의 속성을 연장으로 생각하기 위해서는 모든 공간이 동일해야 합니다. 데카르트에 이르러 처음으로 ‘균질적인 공간’이라는 개념이 나왔습니다.

데카르트는 물질을 공간과 동일시했던 까닭에 진공과 같이 공간 속에 빈 장소가 있다는 것을 부정했습니다. 물질은 원자로 이루어져 있으며 원자와 원자 사이에 필연적으로 빈 공간(진공)이 존재한다는 원자론자들의 생각을 정면 부정한 것입니다.

데카르트는 공간이 무한히 펼쳐져 있으므로 우주가 무한하다고 생각했습니다. 그는 우주가 무한하다는 생각에서 무한한 존재는 신이라는 결론을 이끌어냈습니다. 즉 데카르트에게 우주가 무한하다는 개념은 또 하나의 ‘신의 존재 증명’이었던 셈입니다.

데카르트에 이르러 세계는 서로 대립되는 두 가지 즉, 정신과 물질로 구성되었다는 단순 원리를 갖게 되었습니다. 자연은 연장의 속성을 가진 물질이 되었고, 정신은 사유의 속성을 가진, 물질로부터 자유로운 순수한 것이 되었습니다.

데카르트는 역학적 세계 외에 정신적 세계가 따로 있으며, 만물 가운데 인간만이 이성과 정신을 가진 덕분에 이 두 세계를 향유할 수 있다고 주장했습니다. 유럽의 2원론 사상은 데카르트 시대부터 시작되었습니다.

데카르트의 한계와 영향

데카르트 철학이 갖는 한계는 바로 기계론의 한계라고 할 수 있습니다. 우주의 체계와 운행에 대한 기계론적 고찰이 유기체를 설명하기에 충분하지 않다는 사실을 오늘날 우리는 잘 압니다.

데카르트는 사유가 자연의 진리를 규명하는 결정적인 방법이라고 주장했습니다. 하지만 그는 자연에 대한 사유 체계인 자연철학과 관찰에 의존하는 경험 물리학을 구별하지 않는 한계를 드러냈습니다.

기계론은 중력의 개념 설명에 큰 영향을 미쳤습니다. 갈릴레이와 마찬가지로 데카르트도 케플러의 획기적인 발견인 제3법칙과 중력의 개념을 제대로 파악하는 데 실패했습니다. 그는 특히 천체들 사이의 중력에 대해서는 이해를 하지 못했다기보다 아예 거부했습니다.

데카르트는 『철학원리』의 마지막에 “내가 이 논고를 통해 논하지 못한 자연현상은 존재하지 않는다.” “적어도 세계와 지구에 대해서 내가 설명한 방법과 다른 방식으로 이해하기는 거의 불가능하다.”고 단언했습니다.

그러나 자신감이 지나쳤던 데카르트는 같은 기계론이라 해도 관념론적인 체계였으며, 원인과 본질을 기계의 은유로 손쉽게 설명하려고 함으로써 공허한 논의로 전락하고 말았습니다. 실제로 데카르트의 방법은 자연에 대한 지식이 너무나 빈약한 상황이라 현실과 유리될 수밖에 없었습니다.

데카르트는 “나는 자연학의 원리로서 기하학과 추상수학의 원리 이외에는 아무것도 받아들이지 않으며 요구하지도 않는다.”고 『철학원리』에서 장담했습니다. 하지만 그는 수학과 거리가 멀었습니다. 케플러의 수학 법칙을 거들떠보지도 않았고, 자력에 대해 정량적 측정이란 발상조차 하지 못했습니다. 자연학으로서의 데카르트 기계론은 마술사상을 대체하긴 했지만 미성숙하고 매우 불완전한 안티테제였습니다.

데카르트의 ‘진공 부재’ 주장은 오늘날까지 논란거리입니다. 원자론자들은 우주는 공간(진공)과 원자들로 구성되었다고 주장합니다. 진공의 존재는 필수적입니다. 그러나 데카르트는 우주 공간은 '미세물질'로 채워져 있습니다. 진공은 존재할 수 없는 셈입니다. 이 미세물질은 아리스토텔레스에서 19세기까지 존재하는 것으로 믿어졌던 에테르(ether)와 비슷한 개념으로 이해할 수 있습니다. 19세기가 저물 무렵 에테르의 존재는 부정되었습니다. 그런데 오늘날 양자장론(quantum field theory)과 아인슈타인의 중력장이론(gravitational field theory)에 의하면 우주 내에 엄밀한 의미의 진공이란 존재하지 않습니다.

데카르트의 ‘연장’ 개념도 20세기 일반상대성이론과 양자론이 발전하면서 새롭게 조명되고 있습니다. 연장은 물질의 기본 속성이자 공간과 동일한 개념입니다. 따라서 데카르트에 따르면 물질이 없으면 공간이 존재하지 않습니다. 이는 곧 아인슈타인의 일반상대성이론이 천명하는 ‘우주의 시공은 물질(에너지)에 의해 결정된다.’는 주장과 정확하게 일치합니다.

데카르트는 죽은 뒤에도 수십 년 동안 과학 분야에서 대단히 큰 영향력을 발휘했습니다. 이것은 프랑스와 유럽의 일부 지역에서 뉴턴의 중력이론을 수용하는 데 결정적인 장애로 작용했습니다. 프랑스인들은 데카르트의 이론을 지지하면서 뉴턴의 중력이론은 믿기 힘든 영국인의 사상이라며 거부했습니다.

유럽인들이 뉴턴의 중력이론을 거부한 근본적인 이유는 데카르트의 기계론적 철학으로는 천체들 사이의 중력을 이해할 수 없었기 때문입니다. 데카르트 추종자들은 뉴턴의 중력법칙은 데카르트의 기계론이 털어버리려고 했던 마술사상과 신비주의를 되살리는 것이라고 생각했던 것입니다.

<'우주관 오디세이' 저자·인저리타임 편집위원장>