Научный метод

Отличительной чертой научного метода исследования является вопрос, известный как "критерий". Это ответ на вопрос: есть ли способ определить, является ли концепция или теория наукой, в отличие от какого-то другого вида знания или веры? Было много идей о том, как это должно быть выражено. Логические позитивисты считали, что теория является научной, если ее можно проверить; но Карл Поппер считал это ошибкой. Он считал, что теория не является научной, если нет возможности ее опровергнуть. С другой стороны, Пол Фейерабенд считал, что никакого критерия не существует. Для него "все идет", или что работает, то работает.

Ученые стараются, чтобы реальность говорила сама за себя. Они поддерживают теорию, когда ее предсказания подтверждаются, и оспаривают ее, когда предсказания оказываются ложными. Научные исследователи предлагают гипотезы в качестве объяснения явлений и разрабатывают эксперименты для проверки этих гипотез. Поскольку большие теории нельзя проверить напрямую, это делается путем проверки предсказаний, вытекающих из теории. Эти шаги должны быть повторяемыми, чтобы исключить возможность ошибки или путаницы со стороны конкретного экспериментатора.

Научное исследование, как правило, должно быть максимально объективным. Чтобы уменьшить предвзятое толкование результатов, ученые публикуют свои работы и таким образом делятся данными и методами с другими учеными.

Науку и то, что не является наукой (например, псевдонауку), часто различают по тому, используют ли они научный метод. Одним из первых, кто создал схему этапов научного метода, был Джон Стюарт Милль.

Не существует единого научного метода. Некоторые области науки основаны на математических моделях, например, физика и климатология. Другие области, например, многие области социальных наук, имеют грубые теории и больше полагаются на закономерности, возникающие из данных. Иногда ученые сосредотачиваются на проверке и подтверждении гипотез, но открытые исследования также важны. В некоторых областях науки используются лабораторные эксперименты. Другие собирают наблюдения из реальных ситуаций. Многие области науки являются количественными, в них особое внимание уделяется числовым данным и математическому анализу. Но в некоторых областях, особенно в социальных науках, используются качественные методы, такие как интервью или детальное наблюдение за поведением людей или животных. Слишком сильное внимание к одному виду методов может привести к тому, что мы будем игнорировать знания, полученные с помощью других методов.

Некоторые учебники фокусируются на едином, стандартном "научном методе". Эта идея единого научного метода в значительной степени основана на экспериментальных, проверяющих гипотезы, количественных областях науки. Она не очень хорошо применима к другим областям науки. Часто его записывают в виде нескольких шагов:

1. Задайте вопрос о мире. Любая научная работа начинается с того, что нужно задать вопрос или решить проблему.^{I, p9} Иногда просто придумать правильный вопрос - самое сложное для ученого. На вопрос должен быть получен ответ с помощью эксперимента.
2. Создайте гипотезу - один из возможных ответов на вопрос. Гипотеза в науке - это слово, означающее "обоснованное предположение о том, как что-то работает". Должна быть возможность доказать ее правильность или неправильность. Например, утверждение типа "Синий цвет лучше зеленого" не является научной гипотезой. Ее нельзя доказать, верна она или нет. А вот утверждение "Синий цвет нравится большему количеству людей, чем зеленый" может быть научной гипотезой, потому что можно спросить многих людей, нравится ли им синий цвет больше, чем зеленый, и получить тот или иной ответ.
3. Разработать эксперимент. Если гипотеза действительно научна, должна быть возможность разработать эксперимент для ее проверки. Эксперимент должен быть в состоянии сказать ученому, если гипотеза неверна; он может не сказать ему или ей, если гипотеза верна. В приведенном выше примере эксперимент может включать в себя опрос многих людей о том, какие цвета являются их любимыми. Однако провести эксперимент может быть очень сложно. Что если ключевой вопрос, который нужно задать людям, заключается не в том, какие цвета им нравятся, а в том, какие цвета они ненавидят? Сколько людей нужно опросить? Есть ли способы задать вопрос, которые могут изменить результат так, как не ожидалось? Это все те вопросы, которые должны задавать ученые, прежде чем ставить эксперимент и проводить его. Обычно ученые хотят проверить только одну вещь за один раз. Для этого они стараются сделать все части эксперимента одинаковыми для всех, кроме того, что они хотят проверить.
4. Проведите эксперимент и соберите данные. Здесь ученый пытается провести эксперимент, который он разработал ранее. Иногда по ходу эксперимента у ученого появляются новые идеи. Иногда трудно понять, когда эксперимент окончательно завершен. Иногда экспериментировать очень сложно. Некоторые ученые тратят большую часть своей жизни на то, чтобы научиться проводить хорошие эксперименты.
5. Вопросы "почему". Объяснения - это ответы на вопросы "почему". ^{II, стр. 3}
6. Сделайте выводы из эксперимента. Иногда результаты нелегко понять. Иногда сами эксперименты открывают новые вопросы. Иногда результаты эксперимента могут означать множество разных вещей. Все это необходимо тщательно обдумать.
7. Сообщайте о них другим. Ключевым элементом науки является обмен результатами экспериментов, чтобы другие ученые могли сами использовать полученные знания и чтобы вся наука могла извлечь пользу. Обычно ученые не доверяют новому утверждению, пока другие ученые не изучат его, чтобы убедиться, что оно похоже на настоящую науку. Это называется экспертной оценкой ("экспертная" здесь означает "другие ученые"). Работы, прошедшие экспертную оценку, публикуются в научном журнале.

Несмотря на то, что он составлен в виде списка, ученые могут несколько раз переходить от одного этапа к другому, прежде чем будут удовлетворены ответом.

Не все ученые используют в своей повседневной работе описанный выше "научный метод". Иногда реальная научная работа выглядит совсем не так, как описано выше.

Допустим, мы хотим выяснить влияние температуры на то, как сахар растворяется в стакане воды. Ниже приведен один из способов сделать это, следуя шаг за шагом научному методу.

Цель

Растворяется ли сахар быстрее в горячей или холодной воде? Влияет ли температура на скорость растворения сахара? Это вопрос, который мы могли бы задать.

Планирование эксперимента

Один из простых экспериментов заключается в растворении сахара в воде разной температуры и наблюдении за тем, сколько времени требуется сахару для растворения. Это будет проверкой идеи о том, что скорость растворения зависит от кинетической энергии растворителя.

Мы хотим убедиться, что в каждом опыте используется абсолютно одинаковое количество воды и абсолютно одинаковое количество сахара. Мы делаем это для того, чтобы убедиться, что только температура вызывает эффект. Может оказаться, например, что соотношение сахара и воды также является фактором, влияющим на скорость растворения. Чтобы быть предельно осторожными, мы также можем провести эксперимент так, чтобы температура воды не менялась во время эксперимента.

Это называется "изолировать переменную". Это означает, что из всех факторов, которые могут оказывать влияние, в эксперименте изменяется только один.

Проведение эксперимента

Мы проведем эксперимент в трех опытах, которые будут абсолютно одинаковыми, за исключением температуры воды.

1. Кладем ровно 25 грамм сахара в ровно 1 литр воды, почти холодной как лед. Мы не перемешиваем. Мы заметили, что прошло 30 минут, прежде чем весь сахар растворился.
2. Кладем ровно 25 грамм сахара в ровно 1 литр воды комнатной температуры (20 °C). Мы не перемешиваем. Мы заметили, что прошло 15 минут, прежде чем весь сахар растворился.
3. Кладем ровно 25 грамм сахара в ровно 1 литр теплой воды (50 °C). Мы не перемешиваем. Мы заметили, что сахар растворился только через 4 минуты.

Делаем выводы

Один из способов облегчить просмотр результатов - составить таблицу, в которой перечислить все, что менялось каждый раз, когда мы проводили эксперимент. Наша таблица может выглядеть следующим образом:

Если бы все остальные части эксперимента были одинаковыми (мы не использовали больше сахара в один раз, чем в другой, не перемешивали в один и тот же момент и т.д.), то это было бы очень хорошим доказательством того, что тепло влияет на скорость растворения сахара.

Однако мы не можем знать наверняка, что на это не влияет что-то еще. Примером скрытой причины может быть то, что сахар растворяется быстрее каждый раз, когда в одной и той же кастрюле растворяется больше сахара. Вероятно, это не так, но если бы это было так, то результаты были бы точно такими же: три испытания, и последнее было бы самым быстрым. На данный момент у нас нет причин считать, что это так, но мы могли бы отметить это как еще один возможный ответ.

Кризис репликации (или кризис воспроизводимости) относится к кризису в науке. Очень часто результат научного эксперимента трудно или невозможно воспроизвести впоследствии либо независимыми исследователями, либо самими исследователями. Хотя кризис имеет давние корни, фраза была придумана в начале 2010-х годов как часть растущего осознания проблемы.

Поскольку воспроизводимость экспериментов является неотъемлемой частью научного метода, неспособность воспроизвести исследования имеет потенциально серьезные последствия.

Кризис репликации особенно широко обсуждался в области психологии (в частности, социальной психологии) и медицины, где был предпринят ряд усилий по повторному исследованию классических результатов и попытке определить как достоверность результатов, так и, в случае их недостоверности, причины неудачи репликации.

Недавние дискуссии сделали эту проблему более известной.

Элементы научного метода были разработаны некоторыми ранними исследователями природы.

• "Мы считаем хорошим принципом объяснять явления с помощью самой простой гипотезы". Птолемей (85-165 гг. н.э.). Это ранний пример того, что мы называем "бритвой Оккама".
• Ибн аль-Хайтам (Альхазен) (965-1039), Роберт Гроссетесте (1175-1253) и Роджер Бэкон (1214-1294), все они достигли определенного прогресса в развитии научного метода.
• Ученые в 17 веке начали соглашаться с тем, что экспериментальный метод является основным способом поиска истины. В Западной Европе этим занимались такие люди, как Галилей, Кеплер, Гук, Бойль, Галлей и Ньютон. В то же время были изобретены микроскоп и телескоп (в Голландии) и создано Королевское общество. Приборы, общества и публикации - все это очень помогло науке.

• Фальсифицируемость
• История науки
• Философия науки
• Слепой эксперимент