1장 <소피스트들이여, 직관을 말하지 말라>에서는 인류 최초로 논리적 추론을 만든 탈레스, 아는 것이 아니라 증명하는 것이 중요하다고 말한 피타고라스, 고대 그리스 논리학과 기하학을 집대성한 유클리드를 통해 과학의 뼈대와 골조를 이룬 아이디어를 살펴보았다.

저자는 고대 피라미드 건축에서 보듯 이집트의 기하학적 지식이 뛰어났지만, 왜 그들이 수학을 발전시키지 못했는지에 대해 탐문한다. 이 질문은 과학의 발달에 있어 매우 중요하다. 왜냐하면 이집트에는 정확성에 대한 개념과 앎에 대한 탐구가 결여돼 있었기 때문이다. 순전히 실용적인 면만 고려한다면 이 문제는 그다지 중요한 사항이 아니다. 이집트의 경우 홍수에 의해 경계가 사라진 사방 100미터의 밭을 홍수가 지나간 후 99.5미터의 밭으로 찾아주었을 때 밭 주인은 큰 불평을 하지 않았을 것이다. 그러나 수학이라는 개념을 도입할 경우 0.5미터의 차이는 대단히 큰 것이다. 고대 그리스인들이 등장하기까지는 누구도 이런 엄밀한 문제를 고민하지 않았다. 그리스인들의 중요성은 바로 이런 질문에 대해 도전하고 정답을 찾기 위해 노력했다는 점이다.

탈레스의 중요성은 이집트인들이 경험적으로 발견한 사실을 이론적으로 설명하려고 노력했다는 점이다. 탈레스는 실용적인 적용으로부터 추상적인 원리를 도출하는 방법을 창안했다. 이것은 한 문제의 해답으로부터 다른 문제의 해답을 얻을 수 있다는 것을 뜻한다.

또한 저자는 유클리드야말로 물리적 세계에 기대지 않고 순수한 사고만으로 2차원 공간의 성질을 포괄적으로 설명한 최초의 종합적 설명자라고 말한다. 그러므로 유클리드를 독창적인 수학자라기보다는 오히려 뛰어난 편집자 즉 “기하학의 참고서”를 저술한 저자라고 보는 학자들도 있다. 유클리드 기하학이 지금까지도 생명력을 가지고 있는 이유는 간단하다. 용어들이 명쾌하고 특정 시기에 국한되지 않는 영구적인 정의를 갖고 있기 때문이다. 그가 이룬 가장 중요한 업적은 혁신적인 논리적 방법의 개발이다.

2장과 3장에서는 아리스토텔레스와 아르키메데스를 다뤘다. 고대의 위대한 과학자들은 많다. 흑해의 뱃사람으로 별자리를 만들고 진화이론을 발전시킨 아낙시만드로스, 만물의 근원을 불로 보고 우주란 끊임없는 흐름의 상태에 있다고 주장한 헤라클레이토스, 원자론의 주창자 데모크리토스, 4원소설을 주장한 엠페도클레스, 기하학적 자연관을 주장했던 플라톤, 동심천구설을 고안한 에우독소스, 역학에 대해 기술한 아르키타스, 세계 7대 불가사의를 기술한 비잔틴의 필론, 지구가 사람이 살고 있는 유일한 행성은 아니라고 설파한 메트로도토스 등을 꼽을 수 있다.
하지만 저자는 아리스토텔레스에 이르러서야 진정한 과학적 사유가 탄생한다고 주장한다. 다양한 학문 분야에서 선배들이 제기했던 가장 중요한 사상들을 검토해서 선악과 시비를 가려내는 것으로 학문의 기본 방법론을 제시한 최초의 인물이었다. 자연과학에 대한 아리스토텔레스의 진정한 공헌은 과학에 대한 지식보다 과학을 어떻게 탐구하느냐 하는 방법론을 정립한 데 있다. 그는 과학적 관찰로부터 일반 원리를 발견해야 하고, 이를 기초로 더 근원적인 원리를 유도할 수 있다고 말했다. 즉 개별적인 관찰에 의해 일반 원리를 발견하는 귀납원리와 일반 원리에서 더 근원적인 원리를 이끌어내는 연역원리 모두를 중시했다. 그는 확인했다. “과학은 원인에 관한 지식”이라고 말이다.

저자는 아르키메데스를 인류 최고의 공학자라고 말한다. 지렛대의 원리로 물을 공중으로 퍼올리는 아르키메데스의 나사를 발명했으며, 부력의 원리를 최초로 규명해 화학과 공학기술을 접목시키는 데 밑받침을 놓았다. 그리고 수많은 군사무기를 발명해 로마군의 간담을 서늘케 했다. 저자는 아르키메데스가 인류 역사에서 특별한 의미를 갖는 것은 자신이 창안한 이론을 검증하는 데 실험이나 발명을 이용했으며, 기본적인 물리적 현상들을 표현할 수 있는 수학이 존재한다고 인식함으로써 진정한 과학시대의 출발을 유도한 점에 있다고 강조한다. 즉, 이론과 실무를 겸비한 이론가이자 공학자라는 것이다.

4장에서는 고려의 최무선이 등장한다. 세계사를 빛낸 22명의 천재 중에 왜 최무선이 끼어들어가 있을까 의문이 들 것이라고 저자는 말한다. 하지만 그는 동시에 최무선이야말로 인류 문명의 중심으로 동양에서 서양으로 이동시킨 근본적인 원인을 제공한 과학자라고 보고 있다. 중국에서 비밀리에 제조하던 화약을 그 원료만 수입해 들어와서 그만의 방식으로 배합해 화약을 대량생산하는 데 성공했으며, 이것을 배에 장착해 왜구선박을 격퇴시킨 화포해전 방식은 너무나 탁월한 아이디어라는 것이다.

서양에서는 최무선의 화포해전이 벌어진 190년 뒤에야 처음 대포를 배에 실어 적을 무찌르는 방식이 사용됐다. 1571년 10월 7일 아침, 베네치아, 제노바, 에스파냐의 연합함대가 오스만투르크 함대와 레판토에서 격돌했다. 연합 함대에 신형무기 대포가 탑재됐다는 걸 알지 못한 오스만 함대는 여지없이 대패하고 수많은 사람이 죽고 포로가 되었다. 이 해전 이후 오스만 제국은 서서히 쇠퇴의 길로 접어들고, 역사의 주도권이 아시아에서 유럽으로 넘어갔다는 것이 저자의 해석이다.

5장의 주인공은 인류 역사상 가장 호기심이 많았던 아이, 요즘 태어났다면 주의력결핍과잉행동장애(ADHD) 진단을 받았을 지도 모르는 레오나르도 다 빈치다. 저자는 다 빈치가 현상의 관찰과 그것의 변형에 관해 매우 뛰어난 추리력과 상상력을 발휘했으며, 물리현상에 대한 호기심을 군사기술 전문가로 성장하는 데 연결시켜 낙하산, 자전거, 대포 등 수많은 발명품을 고안하는 과정을 보여준다.

이런 활동에 비해 예술은 다 빈치가 주력한 분야가 아니며 다 빈치는 그를 채용하고자 하는 군주에게 보낼 이력서의 맨 마지막에 “그림도 그릴 줄 압니다”라고 써놓았을 뿐이었다. 저자는 다빈치가 세계 최고의 천재로 부각될 수 있었던 것은 중세 시대임에도 불구하고 실증적 경험주의와 냉철한 관찰적 사고로 자신의 모든 아이디어의 결과물을 얻도록 노력했기 때문이라고 말한다. 그는 경험이 매우 중요하며 지혜의 원천이이며 실험이야말로 자신의 경험을 잘 이용하는 열쇠라고 믿었다. 다 빈치는 5000장이 넘는 23권의 아이디어 노트에서 “높은 산에서 발견되는 조개껍질 화석은 노아의 방주로 옮겨진 것이 아니며, 4종류의 조개껍질은 서로 다른 시대에 만들어진 것”이라는 의견을 적어 대륙이동설이 등장하기 몇 백년 전에 이미 그 씨앗이 될만한 생각을 하고 있었다. 당시의 과학장비와 경험으로 할 수 있었던 최고의 추론이자 정확성이었다.

다 빈치는 “내가 볼 때 기존의 모든 과학은 공허하며 잘못된 부분으로 가득 차 있다고 생각된다. 이것은 기존 과학에 경험과 확실성이 결여된 데다 경험에 의해 검증되지도 않았기 때문이다.”라고 말했다.
6장에서는 유럽의 물질문명의 진정한 출발점이라고 일컬어지는 ‘지동설’의 창시자 코페르니쿠스가 등장한다. 알려진 바와 같이 코페르니쿠스 이전에는 태양이 움직인다는 프톨레마이오스의 천동설이 지배적인 학설이었다. 이것은 천체에 대한 관찰이 세밀해지자 계속 오차가 생겨났고 이를 설명하기 위해 천체론은 갈수록 복잡하고 어려워졌다.

이 때 코페르니쿠스가 등장해서 질문을 던진다. “이렇게 많은 원을 조합해야 할 정도로 복잡하고 전혀 대칭성이나 조화를 찾아볼 수 없는 기이한 우주를 정말 신이 만든 것일까?” 저자는 코페르니쿠스 때문에 인간들은 성경에도 잘못된 사실이 있을 수 있다는 걸 공식화할 수 있었으며, 인간이 찾아낸 지식을 교회에 양보하는 것을 단호히 거부하는 전통을 만들어낼 수 있었다고 말한다. 한번 물꼬가 터진 지식의 올바른 방향을 교회라고 해서 되돌릴 수는 없었다.

7장에서 다루는 갈릴레이를 통해 저자가 강조하고자 하는 것은 ‘수학’과 ‘실험’의 완벽한 조화로움이다. 아리스토텔레스는 만물의 운동을 두가지로 해석했다. 만물이 제 위치를 찾도록 하는 ‘자연운동’과 그렇지 않은 방향으로 움직이도록 강요할 때 일어나는 ‘강제운동’(말이 마차를 끄는 것)이 그것이다. 갈릴레이는 이것을 버리고, 지구상의 모든 운동이 일정한 법칙을 토대로 이뤄진다고 주장하며, 그것을 수학적으로 자세히 분석한 다음 실험으로 뒷받침했다. 이런 그의 생각은 뉴턴의 만유인력을 유도하는 데 큰 역할을 했으며, 수리물리학과 공학에 응용된 수학적 연구라는 새로운 학문의 토대를 마련했다.

오늘날 물리학자와 공학자들은 자신에게 제기되는 문제를 해결하는 방법을 개철자적으로 접근한 갈릴레이에게 큰 빚을 지고 있다고 저자는 말한다. 갈릴레이로 인해 과학자들은 시간과 정신을 초월한 접근방식인 수학적 분석과 그것과 병행되는 실험으로 모든 현상을 바로잡게 되었기 때문이다.

8장에서는 알렉산더 포프가 “신이 말하길 뉴턴이 있으라, 그러자 세상이 빛났다”라고 묘지명을 쓸 정도로 인류에게 가장 획기적인 생각의 전기를 마련해준 뉴턴이 조명된다. 뉴턴이 태어날 때 과학의 틀이 서서히 모양을 나타내기 시작해 우주에 대한 퍼즐 조각이 모아지고 있었다. 코페르니쿠스, 케플러, 갈릴레이와 제자들에 의해 우주가 새로운 학문의 길로 들어서고 있었으며, 물질과 물질의 특성, 물질들 간의 상호작용에 관한 새로운 개념들이 형성되고 있었다. 하지만 이들 연구분야에는 혼돈과 모호함이 존재하고 있었다. 어느 분야도 완벽하지 않았고 어느 분야와도 논리적인 연관을 맺지 못했다. 즉, 전체 그림을 보기 위한 탁월한 독창성이 요구되는 시대였다.

저자는 뉴턴이야말로 바로 이 퍼즐의 해답에 누구보다 가까이 다가간 사람이라고 말한다. 그에 의해 중력이 발견돼 아리스토텔레스 이래 2천년 동안 알려지지 않았던 운동의 비밀이 규명되었던 것이다. 뉴턴은 “우주의 모든 물체는 그 질량의 곱에 비례하고, 물체 사이 거리의 제곱에 반비례하는 힘을 서로 미친다”는 만유인력의 법칙을 비롯해 ‘물리적 힘’이라는 개념으로 당시 일반적인 물리학적 사고를 완전히 재개편했다.
9장에서는 근대적 화학을 탄생시킨 앙투안 로랑 라부아지에가 등장한다. 물리학에 비해 상대적으로 뒤처져있었던 화학은 라부아지에의 등장으로 활기를 띠었고, 물리학과 함께 지구의 신비로움을 풀어내는 과학의 쌍두마차로서의 권위를 부여받게 된다. 저자는 라부아지에의 활동이 당시의 시대상에서 볼 때 한심하기 짝이 없는 일이었다고 말한다. 당시 사람들은 “과연 그렇게까지 정확하게 물건의 무게나 치수를 잴 필요가 무엇인가?”라고 질문했지만, 라부아지에는 올바른 실험과 정밀한 측정이 있어야만 과학이라는 학문이 튼튼하게 뿌리내릴 수 있다는 것을 알고 있었다. 라부아지에가 과학사에서 지니는 가장 큰 중요성은 화학을 정성적인 연구가 아닌 정량적인 과학으로 변모시켰다는 점이다. 그는 실험실에 저울을 도입했다. 정성적인 연구에만 관심을 보였던 과거의 학자들이 저울을 사용해야만 도출할 수 있는 질량보존의 법칙을 발견할 수 없었던 것은 당연했다.

10장에서는 과학사 중에서도 가장 논쟁적인 영역인 진화론과 진화론의 창시자 찰스 다윈을 다룬다. 퀴비에로부터 시작해 오언, 굴드, 베를랑가, 맬서스, 라이엘, 월러스, 헉슬리, 톰슨, 카머러, 리센코, 오파린, 스탠리 밀러, 매클린턱, 도킨스, 마이어 등 근현대 진화론자와 반진화론자가 총망라된 이 장에서 저자는 왜 다윈의 생각이 위대한 것인지를 증명하고 있다. 그에 따르면 생명체가 자연선택을 통해 진화한다는 다윈의 이론은 우리에게 단순함이 어떻게 복잡함으로 바뀔 수 있는지, 어떻게 무질서한 원자들이 결합해 더 복잡한 형태로 바뀌고 결국은 인간까지 만들어내는 지를 만족스럽게 설명해준다. 다윈이야말로 존재에 관련된 질문에 대해 여태껏 제시된 답들 중에서 유일하게 그럴듯한 답을 제공한 과학자라고 말한다.

1권의 마지막인 11장에서는 저온살균법을 발견한 루이 파스퇴르가 등장한다. 파스퇴르가 살았던 19세기 중후반은 뛰어난 생화학자들이 탄생한 시기이다. 인류를 괴롭히던 다양한 질병들, 대참사를 부른 전염병들이 하나하나 정복되는 과정을 저자는 부흐너와 베르틀로, 스팔린차니와 파스퇴르, 그리고 코흐로 이어지는 발명의 연쇄를 통해 살펴본다. 저자는 파스퇴르야말로 머릿속에서 맞는 이론과 틀린 추측을 끝없이 만들어내는 열정적인 탐색가였다고 주장한다. 마치 섬광처럼 우발적으로 자신의 생각들을 쏘아 올린 파스퇴르는 광견병 백신을 발견할 때 살아있는 토끼의 뇌를 떼어내 말리는 방법을 사용해 결국 성공을 거뒀다. 학자들은 미생물 사냥과 과학 역사상 파스퇴르의 이 아이디어처럼 비과학적인 실험은 없었다고 말할 정도다.

그에 비해 파스퇴르와 대비되는 또다른 천재 과학자 코흐는 수학교과서처럼 냉정하고 논리적이었다. 그는 체계적인 실험으로 결핵균을 찾았고 다른 사람들이 의심할 만한 점을 사전에 모조리 점검했다. 자신의 발견을 마치 다른 사람의 것인 양 바라봤고 자신이 얻은 결과에 대해서도 과도하게 비판적이어서 다소 비인간적이라는 비판을 받기도 했다. 저자는 파스퇴르를 이 시대와 분야의 대표적 천재로 선택했지만, 코흐에 대한 미련도 많이 남는지 그의 인생과 과학역정에 대해서도 많은 지면을 할애해서 다루고 있다.