Znanstvena metoda: definicija, koraki in preverjanje teorij

Kar razlikuje znanstveno metodo raziskovanja, je vprašanje, znano kot "merilo". To je odgovor na vprašanje: ali obstaja način, kako ugotoviti, ali je koncept ali teorija znanstvena, v nasprotju z neko drugo vrsto znanja ali prepričanja? O tem, kako bi ga bilo treba izraziti, je bilo že veliko zamisli. Logični pozitivisti so menili, da je teorija znanstvena, če jo je mogoče preveriti; Karl Popper pa je menil, da je to napaka. Menil je, da teorija ni znanstvena, če ne obstaja način, kako bi jo bilo mogoče ovreči. Po drugi strani pa je Paul Feyerabend menil, da merila ni. Zanj je veljalo, da je "anything goes" ali karkoli deluje, deluje.

Znanstveniki poskušajo pustiti, da resničnost govori sama zase. Teorijo podprejo, kadar se njene napovedi potrdijo, in jo izpodbijajo, kadar se njene napovedi izkažejo za napačne. Znanstveni raziskovalci ponujajo hipoteze kot razlage pojavov in načrtujejo poskuse za preverjanje teh hipotez. Ker velikih teorij ni mogoče neposredno preizkusiti, to storijo s preizkušanjem napovedi, ki izhajajo iz teorije. Ti koraki morajo biti ponovljivi, da se zavarujejo pred napako ali zmoto posameznega eksperimentatorja.

Znanstveno raziskovanje naj bi bilo na splošno čim bolj objektivno. Da bi zmanjšali pristranske razlage rezultatov, znanstveniki objavljajo svoje delo in tako delijo podatke in metode z drugimi znanstveniki.

Znanost in stvari, ki niso znanost (na primer psevdoznanost), se pogosto razlikujejo po tem, ali uporabljajo znanstveno metodo. Eden prvih, ki je oblikoval pregled korakov znanstvene metode, je bil John Stuart Mill.

Ni ene same znanstvene metode. Nekatera področja znanosti temeljijo na matematičnih modelih, na primer fizika in klimatologija. Druga področja, kot so številna področja družboslovja, imajo grobe teorije in se bolj zanašajo na vzorce, ki izhajajo iz njihovih podatkov. Včasih se znanstveniki osredotočajo na preverjanje in potrjevanje hipotez, vendar je pomembno tudi odprto raziskovanje. Nekatera znanstvena področja uporabljajo laboratorijske poskuse. Druga zbirajo opažanja iz resničnega sveta. Številna področja znanosti so kvantitativna, poudarjajo številčne podatke in matematično analizo. Na nekaterih področjih, zlasti v družboslovju, pa se uporabljajo kvalitativne metode, kot so intervjuji ali podrobna opazovanja vedenja ljudi ali živali. Če se preveč osredotočimo na eno vrsto metode, lahko zanemarimo znanje, pridobljeno z drugimi metodami.

Nekateri učbeniki se osredotočajo na eno samo standardno "znanstveno metodo". Ta zamisel o enotni znanstveni metodi večinoma temelji na eksperimentalnih, kvantitativnih področjih znanosti, ki temeljijo na preverjanju hipotez. Na drugih področjih znanosti se ne uporablja najbolje. Pogosto je zapisana kot več korakov:

1. Postavite vprašanje o svetu. Vsako znanstveno delo se začne z vprašanjem ali problemom, ki ga je treba rešiti.^{I, p9} Včasih je za znanstvenika najtežje postaviti pravo vprašanje. Na vprašanje mora biti mogoče odgovoriti s poskusom.
2. Ustvarite hipotezo - en možen odgovor na vprašanje. Hipoteza je v znanosti beseda, ki pomeni "utemeljeno ugibanje o tem, kako nekaj deluje". Omogočeno mora biti, da se dokaže, da je pravilna ali napačna. Na primer izjava, kot je "Modra barva je boljša od zelene", ni znanstvena hipoteza. Ni je mogoče dokazati, ali je pravilna ali ne. "Več ljudem je bolj všeč modra kot zelena barva" pa bi lahko bila znanstvena hipoteza, saj bi lahko vprašali veliko ljudi, ali jim je modra barva bolj všeč kot zelena, in dobili en ali drug odgovor.
3. Načrtujte poskus. Če je hipoteza resnično znanstvena, bi moralo biti mogoče načrtovati poskus, s katerim bi jo preverili. Poskus bi moral znanstveniku povedati, ali je hipoteza napačna; ne sme mu povedati, ali je hipoteza pravilna. V zgornjem primeru bi lahko poskus vključeval spraševanje številnih ljudi, katere so njihove najljubše barve. Izvedba poskusa je lahko zelo težavna. Kaj če ključno vprašanje, ki ga je treba zastaviti ljudem, ni, katere barve imajo radi, ampak katere barve sovražijo? Koliko ljudi je treba vprašati? Ali obstajajo načini postavljanja vprašanja, ki bi lahko spremenili rezultat na način, ki ni bil pričakovan? To so vse vrste vprašanj, ki si jih morajo zastaviti znanstveniki, preden pripravijo poskus in ga izvedejo. Običajno želijo znanstveniki preizkusiti le eno stvar naenkrat. Da bi to dosegli, poskušajo poskrbeti, da so vsi deli poskusa enaki za vse, razen za stvar, ki jo želijo preizkusiti.
4. Eksperimentirajte in zbirajte podatke. Znanstvenik poskuša izvesti poskus, ki ga je predhodno zasnoval. Včasih znanstvenik med izvajanjem poskusa dobi nove zamisli. Včasih je težko ugotoviti, kdaj je poskus dokončno končan. Včasih bo eksperimentiranje zelo težavno. Nekateri znanstveniki večino svojega življenja porabijo za učenje, kako izvajati dobre poskuse.
5. Vprašanja o razlogih. Razlage so odgovori na vprašanja zakaj. ^{II, str. 3}
6. Na podlagi poskusa naredite zaključke. Včasih rezultatov ni lahko razumeti. Včasih poskusi sami odpirajo nova vprašanja. Včasih lahko rezultati poskusa pomenijo več različnih stvari. O vsem tem je treba skrbno razmisliti.
7. Sporočite jih drugim. Ključni element znanosti je deljenje rezultatov poskusov, tako da lahko drugi znanstveniki sami uporabijo znanje in da ima od tega korist celotna znanost. Običajno znanstveniki ne zaupajo novim trditvam, če jih drugi znanstveniki najprej ne pregledajo in se prepričajo, da zvenijo kot prava znanost. Temu pravimo medsebojno preverjanje ("medsebojno" tu pomeni "drugi znanstveniki"). Delo, ki je uspešno prestalo medsebojni pregled, je objavljeno v znanstveni reviji.

Čeprav je zapisan kot seznam, lahko znanstveniki večkrat prehajajo med različnimi koraki, preden so zadovoljni z odgovorom.

Vsi znanstveniki pri svojem vsakdanjem delu ne uporabljajo omenjene "znanstvene metode". Včasih dejansko znanstveno delo sploh ni podobno zgoraj opisanemu.

Recimo, da želimo ugotoviti vpliv temperature na raztapljanje sladkorja v kozarcu vode. V nadaljevanju je predstavljen način, kako to storiti po znanstveni metodi korak za korakom.

Cilj

Ali se sladkor hitreje raztopi v vroči ali hladni vodi? Ali temperatura vpliva na hitrost raztapljanja sladkorja? To je vprašanje, ki si ga bomo morda želeli zastaviti.

Načrtovanje poskusa

Enostaven poskus je, da sladkor raztopimo v vodi različnih temperatur in spremljamo, koliko časa traja, da se sladkor raztopi. S tem bi preverili idejo, da se hitrost raztapljanja spreminja glede na kinetično energijo topila.

Poskrbeti želimo, da v vsakem poskusu uporabimo popolnoma enako količino vode in popolnoma enako količino sladkorja. To storimo, da bi se prepričali, da je učinek odvisen le od temperature. Lahko se na primer zgodi, da je razmerje med sladkorjem in vodo tudi dejavnik, ki vpliva na hitrost raztapljanja. Da bi bili še posebej previdni, lahko poskus izvedemo tudi tako, da se temperatura vode med poskusom ne spremeni.

Temu pravimo "izolacija spremenljivke". To pomeni, da od vseh dejavnikov, ki bi lahko vplivali, v poskusu spreminjamo samo enega.

Izvajanje poskusa

Poskus bomo izvedli v treh poskusih, ki so popolnoma enaki, razen temperature vode.

1. Natančno 25 gramov sladkorja damo v natanko 1 liter vode, ki je skoraj tako hladna kot led. Ne mešamo. Ugotovimo, da traja 30 minut, preden se ves sladkor raztopi.
2. V natanko 1 liter vode sobne temperature (20 °C) damo natanko 25 gramov sladkorja. Ne mešamo. Ugotovimo, da traja 15 minut, preden se ves sladkor raztopi.
3. V točno 1 liter tople vode (50 °C) damo natanko 25 gramov sladkorja. Ne mešamo. Ugotovimo, da traja 4 minute, preden se ves sladkor raztopi.

Sklepi

Eden od načinov, ki olajša pregled rezultatov, je, da naredimo tabelo, v kateri so navedene vse stvari, ki so se spremenile vsakič, ko smo izvedli poskus. Naša bi lahko izgledala takole:

Če so bili vsi drugi deli poskusa enaki (enkrat nismo uporabili več sladkorja kot drugič, enkrat nismo mešali, drugič ne itd.), bi bil to zelo dober dokaz, da toplota vpliva na hitrost raztapljanja sladkorja.

Vendar ne moremo z gotovostjo trditi, da nanj ne vpliva še kaj drugega. Primer skritega vzroka je lahko, da se sladkor hitreje raztopi vsakič, ko v isti posodi raztopimo več sladkorja. To verjetno ni res, če pa bi bilo, bi lahko bili rezultati popolnoma enaki: trije poskusi, pri čemer bi bil zadnji najhitrejši. Trenutno nimamo razloga, da bi mislili, da je to res, vendar bi to morda želeli zabeležiti kot še en možen odgovor.

Kriza replikacije (ali kriza ponovljivosti) se nanaša na krizo v znanosti. Zelo pogosto je rezultat znanstvenega poskusa kasneje težko ali nemogoče ponoviti, bodisi s strani neodvisnih raziskovalcev bodisi s strani prvotnih raziskovalcev samih. Čeprav ima kriza dolgotrajne korenine, je bila besedna zveza skovana v začetku leta 2010 kot del vse večjega zavedanja o tej težavi.

Ker je ponovljivost poskusov bistveni del znanstvene metode, ima nezmožnost ponovitve študij lahko resne posledice.

O krizi replikacije se je zlasti veliko razpravljalo na področju psihologije (zlasti socialne psihologije) in medicine, kjer je bilo vloženih veliko prizadevanj za ponovno raziskovanje klasičnih rezultatov in poskusov ugotavljanja veljavnosti rezultatov ter, če so neveljavni, razlogov za neuspešno replikacijo.

Ta problem je postal bolj znan zaradi nedavnih razprav.

Nekateri zgodnji raziskovalci narave so razvili elemente znanstvene metode.

• "Menimo, da je dobro načelo, da pojave razložimo z najpreprostejšo možno hipotezo." Ptolemaj (85-165 n. št.). To je zgodnji primer tega, kar imenujemo Occamova britvica.
• Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) in Roger Bacon (1214-1294) so dosegli določen napredek pri razvoju znanstvene metode.
• Znanstveniki so se v 17. stoletju začeli strinjati, da je eksperimentalna metoda glavni način iskanja resnice. To so v zahodni Evropi storili možje, kot so Galileo, Kepler, Hooke, Boyle, Halley in Newton. Hkrati so izumili mikroskop in teleskop (na Nizozemskem) ter ustanovili Kraljevo družbo. Inštrumenti, društva in založništvo so močno pripomogli k znanosti.

• Falsifikabilnost
• Zgodovina znanosti
• Filozofija znanosti
• Slepi poskus