이번 포스팅에서는 과학적으로 문제를 해결하는데 있어서 기본이 되는 개념들인 통제변인 (controlled variable)과 조작변인 (manipulated variable)에 대해서 알아봅시다. 이들을 명확히 하는 것은 교양과학 뿐만 아니라 학술논문 레벨에 있어서도 매우 중요합니다.
실험을 설계하는데 있어서 일정하게 유지되는 변수를 통제변인이라고 하는 반면, 값을 바꾸는 변수를 조작변인이라고 합니다. 물론 조작변인의 값에 따라 실험결과가 달라질텐데요. 조작변인에 따라 결과값이 달라지는 변수를 두고 종속변인 (dependent variable)이라고 합니다.
통제변인과 조작변인은 우리가 풀고자 하는 문제 또는 증명하고자 하는 명제에 따라서 달라지게 됩니다. 예컨대 민물 혹은 담수는 온도가 영하로 내려갔을 때 얼음이 되지만, 바닷물은 어지간히 춥지 않은 이상 얼지 않는 이유에 대해서 생각해봅시다. 누군가가 이를 궁금해하다가 물에 염분이 포함되면 어는점이 낮아지게 된다는 가설을 세우고, 이를 실험으로 확인하고 싶어할 수 있습니다. 이 때 조작변인은 물에 들어간 소금의 농도가 되고, 종속변인은 물이 얼기 시작하는 온도가 되겠죠. 반면 담수의 양은 통제 변인이 될 것입니다.
물의 양을 일정하게 두고, 서로 다른 양의 소금을 섞으면 염분의 농도가 달라질텐데요. 그 다음 온도를 서서히 낮춰 가면서 서로 다른 농도의 소금물이 언제 얼기 시작하는지를 살펴보면, 염분이 실제로 어는점을 낮추는지의 여부를 확인할 수 있게 될 것입니다.
머리로 하는 사고실험이나 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 하는데 있어서도 통제변인과 조작변인의 개념을 제대로 숙지하는것이 중요합니다. 예를 들어서 은하 (galaxy)내의 암흑물질의 질량 분포를 유추하는 상황을 생각해볼 수 있는데요. 흔히 물질이라고 하면 양성자, 중성자 및 전자들을 포함하는 원자로 구성된 경우를 떠올리게 되죠. 하지만 우리에게 친숙한 형태의 물질만으로는 은하를 구성하는 천체들의 공전 속도를 설명하기 어렵다는 난점이 있고, 이게 암흑물질의 존재를 상정하는 주요 근거 중의 하나입니다.
질량을 가지고 있지만 눈에 잘 띄지 않는 이 암흑물질이 어디에 얼마나 분포되어 있는지가 관심사항이 되었습니다. 그러면 관측가능한 천체들의 질량 분포를 통제변인으로 두고, 암흑물질의 질량 분포를 조작변인으로 바꿔가며 천체들의 공전 운동을 시뮬레이션 하는 것이 가능하겠죠. 여기서 종속변인은 천체들의 공전 속도가 되고, 관측 결과와 잘 맞아떨어지는 케이스를 찾게 되면 암흑물질의 질량 분포를 과학적으로 유추할 수 있게 되는 것입니다.
