Научный метод

Модель ДНК с Дэвидом Дойчем , сторонником инвариантных научных объяснений

Часть серии по
Исследование
Список академических направлений Прикладные науки Формальные науки Гуманитарные науки Естественные науки Профессии Социальные науки
Дизайн исследования Предложение исследования Исследовать вопрос Письмо Аргумент Ссылка
Философия Конструктивизм Эмпиризм Позитивизм / Антипозитивизм / Постпозитивизм Реализм Критический реализм Тонкий реализм
Стратегия исследования Междисциплинарный Мультиметодология Качественный Количественный
Методология Исследование действий Художественная методология Критическая теория Феминизм Обоснованная теория Герменевтика Историография Повествовательный запрос Феноменология Прагматизм Научный метод
Методы Пример использования Анализ содержания Описательная статистика Анализ речи Этнография Эксперимент Полевой эксперимент Квазиэксперимент Полевые исследования Исторический метод Выведенный статистика Интервью Картография Культурное картографирование Феноменография Вторичные исследования Библиометрия Литературный обзор Мета-анализ Обзор объема работ Регулярный обзор Научное моделирование Моделирование Опрос
Философский портал
v т е

Научный метод является эмпирическим методом получения знаний , которые характеризовали развитие науки , по крайней мере , в 17 - м века. Это включает в себя тщательное наблюдение , применение строгого скептицизма в отношении наблюдаемого, учитывая, что когнитивные предположения могут исказить то, как человек интерпретирует наблюдение . Он включает в себя формулирование гипотез посредством индукции на основе таких наблюдений; экспериментальная и измерительная проверка выводоввзяты из гипотез; и уточнение (или исключение) гипотез на основе экспериментальных данных. Это принципы научного метода, отличные от определенного ряда шагов, применимых ко всем научным предприятиям. ^{[1] [2] [3]}

Хотя доступны различные модели научного метода, в целом существует непрерывный процесс, включающий наблюдения за миром природы. Люди от природы любознательны, поэтому они часто задают вопросы о том, что они видят или слышат, и часто развивают идеи или гипотезы о том, почему все обстоит именно так. Лучшие гипотезы приводят к предсказаниям, которые можно проверить различными способами. Наиболее убедительная проверка гипотез происходит из рассуждений, основанных на тщательно контролируемых экспериментальных данных. В зависимости от того, насколько хорошо дополнительные тесты соответствуют прогнозам, исходная гипотеза может потребовать уточнения, изменения, расширения или даже отклонения. Если конкретная гипотеза получает очень хорошую поддержку, можно разработать общую теорию . ^[4]

Хотя процедуры варьируются от одной области исследования к другой, они часто одинаковы от одной к другой. Процесс научного метода включает в себя построение предположений (гипотез), вывод из них предсказаний как логических следствий, а затем проведение экспериментов или эмпирических наблюдений на основе этих предсказаний. ^{[5] [6]} Гипотеза - это гипотеза, основанная на знаниях, полученных при поиске ответов на вопрос. Гипотеза может быть очень конкретной, а может быть и широкой. Затем ученые проверяют гипотезы, проводя эксперименты или исследования. Научная гипотеза должна быть опровергнута, подразумевая, что можно идентифицировать возможный результат эксперимента или наблюдения, который противоречит предсказаниям, выведенным из гипотезы; в противном случае гипотеза не может быть осмысленно проверена. ^[7]

Цель эксперимента - определить, согласуются ли наблюдения с предсказаниями, полученными на основе гипотез, или противоречат им. ^[8] Эксперименты можно проводить где угодно, от гаража до Большого адронного коллайдера ЦЕРНа . Однако есть трудности с формулировкой метода. Хотя научный метод часто представляется как фиксированная последовательность шагов, он представляет собой скорее набор общих принципов. ^[9] Не все шаги выполняются в каждом научном исследовании (и не в одинаковой степени), и они не всегда находятся в одном и том же порядке. ^{[10] [11]}

История

Важные дебаты в истории науки касаются рационализма , особенно того, который защищал Рене Декарт ; индуктивизм и / или эмпиризм , как утверждал Фрэнсис Бэкон , и особенно известный благодаря Исааку Ньютону и его последователям; и гипотетико-дедуктивизм , который проявился в начале 19 века.

Термин «научный метод» появился в XIX веке, когда происходило значительное институциональное развитие науки и появились терминологии, устанавливающие четкие границы между наукой и ненаучной, такие как «ученый» и «псевдонаука». ^[17] На протяжении 1830-х и 1850-х годов, когда бэконианство было популярным, натуралисты, такие как Уильям Уэвелл, Джон Гершель, Джон Стюарт Милль, вели дебаты по поводу «индукции» и «фактов» и были сосредоточены на том, как генерировать знания. ^[17] В конце 19 - начале 20 веков дискуссии о реализме и антиреализме велись по мере того, как мощные научные теории выходили за пределы области наблюдаемого.^[18]

Термин «научный метод» стал популярным в двадцатом веке, часто появляясь в словарях и учебниках по естествознанию, хотя научный консенсус относительно его значения практически отсутствовал. ^[17] Хотя в середине двадцатого века наблюдался рост, к 1960-м и 1970-м годам многие влиятельные философы науки, такие как Томас Кун и Пол Фейерабенд, поставили под сомнение универсальность «научного метода» и тем самым в значительной степени заменили его понятие науки как однородного и универсального метода с разнородной и локальной практикой. ^[17] В частности, Пол Фейерабенд в первом издании своей книги « Против метода» 1975 г., выступал против универсальных правил науки . ^[18] Более поздние примеры включают в себя эссе физика Ли Смолина «Нет никакого научного метода» в 2013 году ^[19] и главу историка науки Дэниела Терса в книге 2015 года «Яблоко Ньютона и другие мифы о науке» , в которых делается вывод о том, что научный метод - это миф или, в лучшем случае, идеализация. ^[20] Философы Роберт Нола и Ховард Санки в своей книге 2007 года « Теории научного метода» заявили, что споры по поводу научного метода продолжаются, и утверждали, что Фейерабенд, несмотря на название « Против метода», принял определенные правила метода и попытался обосновать эти правила метаметодологией. ^[21]

Обзор

Научный метод - это процесс, посредством которого осуществляется наука . ^[22] Как и в других областях исследования, наука (посредством научного метода) может опираться на предыдущие знания и со временем развивать более сложное понимание тем, изучаемых ею. ^{[23] [24] [25] [26] [27] [28]} Можно рассматривать эту модель как основу научной революции . ^[29]

Вездесущий элемент научного метода - эмпиризм . Это противоречит строгим формам рационализма : научный метод воплощает в себе то, что один разум не может решить конкретную научную проблему. Сильная формулировка научного метода не всегда согласуется с формой эмпиризма, в которой эмпирические данные выдвигаются в форме опыта или других абстрактных форм знания; Однако в современной научной практике обычно допускается использование научного моделирования и опора на абстрактные типологии и теории. Научный метод обязательно также является выражением оппозиции утверждениям, которые, например, откровение , политическая или религиозная догма, апелляции к традициям, общепринятым убеждениям, здравому смыслу или, что важно, текущим теориям, являются единственными возможными средствами доказательства истины.

Различные ранние проявления эмпиризма и научного метода можно найти на протяжении всей истории, например , с древних стоиков , Эпикура , ^[30] Альхазен , ^[31] Роджер Бэкон и Уильям Оккам . С 16 - го века и далее, эксперименты выступают Francis Bacon , и выполненный Джамбаттиста делла Порта , ^[32] Иоганн Кеплер , ^[33] и Галилео Галилей . ^[34] Особое развитие получили теоретические работы Франсиско Санчеса , ^[35] Джона Локка., Джордж Беркли и Дэвид Хьюм .

Гипотетико-дедуктивной модели ^[36] сформулирована в 20 - м веке, является идеальным , хотя она подверглась значительной переработки , так как первый предложенный (для более формального обсуждения, см ниже ). Стаддон (2017) утверждает, что было бы ошибкой пытаться следовать правилам ^[37], которые лучше всего усвоить путем внимательного изучения примеров научных исследований.

Процесс

Общий процесс включает в себя создание предположений ( гипотез ), вывод из них предсказаний как логических следствий, а затем проведение экспериментов на основе этих предсказаний, чтобы определить, было ли исходное предположение правильным. ^[5] Однако есть трудности с формулировкой метода. Хотя научный метод часто представляется как фиксированная последовательность шагов, эти действия лучше рассматривать как общие принципы. ^[10] Не все шаги выполняются в каждом научном исследовании (и не в одинаковой степени), и они не всегда выполняются в одном и том же порядке. Как заметил ученый и философ Уильям Уэвелл (1794–1866), «изобретение, проницательность и гений»^[11] требуются на каждом этапе.

Формулировка вопроса

Вопрос может относиться к объяснению конкретного наблюдения , например, «Почему небо голубое?» но также может быть открытым, как в «Как я могу разработать лекарство для лечения этой конкретной болезни?» Этот этап часто включает поиск и оценку доказательств предыдущих экспериментов, личных научных наблюдений или утверждений, а также работы других ученых. Если ответ уже известен, можно задать другой вопрос, основанный на доказательствах. При применении научного метода к исследованию определение правильного вопроса может быть очень трудным, и это повлияет на результат расследования. ^[38]

Гипотеза

Гипотеза является гипотеза , основанная на знаниях , полученных при разработке вопроса, который может объяснить любое данное поведение. Гипотеза может быть очень конкретной; например, принцип эквивалентности Эйнштейна или фраза Фрэнсиса Крика «ДНК заставляет РНК производить белок» ^[39] или может быть более широкой; например, неизвестные виды жизни обитают в неизведанных глубинах океанов. Статистическая гипотеза является гипотеза о данной статистической совокупности . Например, население может состоять из людей с определенным заболеванием.Предполагается, что новое лекарство вылечит некоторых из этих людей. Термины, обычно связанные со статистическими гипотезами, - это нулевая гипотеза и альтернативная гипотеза . Нулевая гипотеза - это гипотеза о том, что статистическая гипотеза ложна; например, что новое лекарство ничего не дает и что любое лекарство является случайным . Обычно исследователи хотят показать, что нулевая гипотеза неверна. Альтернативная гипотеза - желаемый результат, что лекарство действует лучше, чем случайность. Заключительный момент: научная гипотеза должна быть опровергнутой , что означает, что можно идентифицировать возможный результат эксперимента, который противоречит предсказаниям, выведенным из гипотезы; в противном случае его нельзя будет осмысленно проверить.

Прогноз

Этот шаг включает определение логических следствий гипотезы. Затем выбираются одно или несколько прогнозов для дальнейшего тестирования. Чем более маловероятно, что предсказание окажется верным просто по совпадению, тем более убедительным оно будет, если предсказание осуществится; Доказательства также сильнее, если ответ на прогноз еще не известен из-за эффекта предвзятости ретроспективного взгляда (см. также постдикт ). В идеале прогноз также должен отличать гипотезу от вероятных альтернатив; если две гипотезы дают одно и то же предсказание, наблюдение за правильностью предсказания не является свидетельством того, что одна из них важнее другой. (Эти утверждения об относительной силе доказательств могут быть получены математически с помощью теоремы Байеса ).^[40]

Тестирование

Это исследование того, ведёт ли реальный мир так, как предсказывает гипотеза. Ученые (и другие люди) проверяют гипотезы путем проведения экспериментов . Цель эксперимента - определить, согласуются ли наблюдения реального мира с предсказаниями, полученными на основе гипотез, или противоречат им. Если они согласны, уверенность в гипотезе возрастает; в противном случае он уменьшается. Согласие не гарантирует, что гипотеза верна; будущие эксперименты могут выявить проблемы. Карл Поппер посоветовал ученым попытаться опровергнуть гипотезы, т. Е. Найти и проверить те эксперименты, которые кажутся наиболее сомнительными. Большое количество успешных подтверждений неубедительно, если они возникают в результате экспериментов, избегающих риска. ^[8]Эксперименты должны быть спланированы таким образом, чтобы минимизировать возможные ошибки, особенно с использованием соответствующих научных средств контроля . Например, медицинские тесты обычно проводятся как двойные слепые тесты . Тестирующий персонал, который может невольно раскрыть испытуемым, какие образцы являются желаемыми тестируемыми препаратами, а какие - плацебо , остается в неведении о том, какие из них являются. Такие подсказки могут искажать ответы испытуемых. Более того, неудача эксперимента не обязательно означает, что гипотеза ложна. Эксперименты всегда зависят от нескольких гипотез, например, что испытательное оборудование работает правильно, и отказ может быть ошибкой одной из вспомогательных гипотез. (См. Тезис Дюгема – Куайна.) Эксперименты можно проводить в лаборатории колледжа, на кухонном столе, на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа , на дне океана, на Марсе (с помощью одного из рабочих марсоходов ) и так далее. Астрономы проводят эксперименты, ища планеты вокруг далеких звезд. Наконец, большинство индивидуальных экспериментов затрагивают очень специфические темы из соображений практичности. В результате доказательства по более широким темам обычно накапливаются постепенно.

Анализ

Это включает в себя определение того, что показывают результаты эксперимента, и принятие решения о следующих действиях. Прогнозы гипотезы сравниваются с предсказаниями нулевой гипотезы, чтобы определить, какая из них лучше объясняет данные. В случаях, когда эксперимент повторяется много раз, статистический анализ, такой как критерий хи-квадратможет потребоваться. Если свидетельства опровергли гипотезу, требуется новая гипотеза; если эксперимент поддерживает гипотезу, но доказательств недостаточно для высокой достоверности, необходимо проверить другие прогнозы на основе гипотезы. Когда гипотеза убедительно подтверждается доказательствами, можно задать новый вопрос, чтобы получить более глубокое понимание той же темы. Доказательства других ученых и опыт часто используются на любом этапе процесса. В зависимости от сложности эксперимента может потребоваться множество итераций для сбора достаточных доказательств для уверенного ответа на вопрос или для построения множества ответов на весьма специфические вопросы, чтобы ответить на один более широкий вопрос.

Пример ДНК

Основные элементы научного метода иллюстрируются следующим примером открытия структуры ДНК :

• Вопрос : Предыдущее исследование ДНК определило ее химический состав (четыре нуклеотида ), структуру каждого отдельного нуклеотида и другие свойства. Рентгеновские дифрактограммы ДНК Флоренс Белл, доктор философии. диссертации (1939 г.) были похожи (хотя и не так хорошо) на «фото 51», но это исследование было прервано событиями Второй мировой войны. ДНК была идентифицирована как носитель генетической информации в эксперименте Эйвери-Маклауда-Маккарти в 1944 г. ^[41], но механизм хранения генетической информации в ДНК был неясен.
• Гипотеза : Линус Полинг , Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон предположили, что ДНК имеет спиральную структуру. ^[42]
• Прогноз : если бы ДНК имела спиральную структуру, ее рентгеновская дифрактограмма была бы X-образной. ^{[43] [44]} Этот прогноз был получен с использованием математики спирального преобразования, которое было получено Кокраном, Криком и Вандом ^[45] (и независимо Стоксом). Это предсказание было математической конструкцией, полностью независимой от рассматриваемой биологической проблемы.
• Эксперимент : Розалинда Франклин использовала чистую ДНК для проведения дифракции рентгеновских лучей, чтобы получить фотографию 51 . Результаты показали Х-образную форму.
• Анализ : Когда Уотсон увидел детальную дифракционную картину, он сразу же узнал в ней спираль. ^{[46] [47]} Затем он и Крик создали свою модель, используя эту информацию вместе с ранее известной информацией о составе ДНК, особенно правилами Чаргаффа о спаривании оснований. ^[48]

Это открытие стало отправной точкой для многих дальнейших исследований, связанных с генетическим материалом, таких как область молекулярной генетики , и в 1962 году оно было удостоено Нобелевской премии. Более подробно каждый этап этого примера рассмотрен ниже в статье.

Прочие компоненты

Научный метод также включает другие компоненты, необходимые даже после того, как были выполнены все итерации описанных выше шагов: ^[49]

Репликация

Если эксперимент не может быть повторен для получения тех же результатов, это означает, что исходные результаты могли быть ошибочными. В результате один эксперимент часто проводят несколько раз, особенно когда есть неконтролируемые переменные или другие признаки экспериментальной ошибки . Для получения значительных или неожиданных результатов другие ученые также могут попытаться воспроизвести результаты для себя, особенно если эти результаты будут важны для их собственной работы. ^[50] Репликация стала спорным вопросом в социальной и биомедицинской науке, где лечение назначается группам людей. Обычно экспериментальная группа получает лечение, например, лекарство, а контрольная группаполучает плацебо. Джон Иоаннидис в 2005 году указал, что используемый метод привел ко многим открытиям, которые невозможно воспроизвести. ^[51]

Внешний обзор

Процесс экспертной оценки включает оценку эксперимента экспертами, которые обычно высказывают свое мнение анонимно. Некоторые журналы требуют, чтобы экспериментатор предоставил списки возможных рецензентов, особенно если область является узкоспециализированной. Рецензирование не подтверждает правильность результатов, только то, что, по мнению рецензента, сами эксперименты были правильными (на основе описания, предоставленного экспериментатором). Если работа проходит рецензирование, которое иногда может потребовать проведения новых экспериментов по запросу рецензентов, она будет опубликована в рецензируемом научном журнале . В конкретном журнале, в котором публикуются результаты, указывается воспринимаемое качество работы. ^[52]

Запись и обмен данными

Ученые обычно осторожны при записи своих данных - требование, продвигаемое Людвиком Флеком (1896–1961) и другими. ^[53] Хотя обычно это и не требуется, их могут попросить предоставить эти данные другим ученым, желающим воспроизвести их исходные результаты (или части своих исходных результатов), включая обмен любыми экспериментальными образцами, которые может быть трудно получить. ^[54]

Научное исследование

Научное исследование обычно направлено на получение знаний в форме проверяемых объяснений, которые ученые могут использовать для предсказания результатов будущих экспериментов. Это позволяет ученым лучше понять изучаемую тему, а затем использовать это понимание для вмешательства в ее причинные механизмы (например, для лечения болезни). Чем лучше объяснение позволяет делать прогнозы, тем чаще оно может быть более полезным и тем более вероятно, что оно будет продолжать объяснять совокупность доказательств лучше, чем их альтернативы. Наиболее успешные объяснения - те, которые объясняют и делают точные прогнозы в широком диапазоне обстоятельств - часто называются научными теориями .

Большинство экспериментальных результатов не приводят к большим изменениям в человеческом понимании; Улучшение теоретического научного понимания обычно является результатом постепенного процесса развития с течением времени, иногда в различных областях науки. ^[55] Научные модели различаются по степени, в которой они были экспериментально проверены и как долго, а также по их признанию в научном сообществе. В общем, объяснения со временем принимаются по мере накопления доказательств по данной теме, и рассматриваемое объяснение оказывается более действенным, чем его альтернативы при объяснении доказательств. Часто последующие исследователи переформулируют объяснения с течением времени или комбинируют объяснения для получения новых объяснений.

Тоа рассматривает научный метод с точки зрения эволюционного алгоритма, применяемого в науке и технике. ^[56]

Свойства научного исследования

Научное знание тесно связано с эмпирическими выводами и может оставаться предметом фальсификации, если новые экспериментальные наблюдения несовместимы с тем, что обнаружено. То есть ни одну теорию нельзя считать окончательной, поскольку могут быть обнаружены новые проблемные свидетельства. Если такое свидетельство найдено, может быть предложена новая теория или (чаще) обнаруживается, что модификации предыдущей теории достаточно для объяснения нового свидетельства. Сила теории может быть доказана ^{[ кем? ]} для обозначения того, как долго он существует без серьезных изменений его основных принципов.

Теории также могут быть включены в другие теории. Например, законы Ньютона почти идеально объяснили тысячелетия научных наблюдений за планетами . Однако затем эти законы были определены как частные случаи более общей теории (теории относительности ), которая объясняла как (ранее необъясненные) исключения из законов Ньютона, так и предсказывала и объясняла другие наблюдения, такие как отклонение света под действием силы тяжести . Таким образом, в некоторых случаях независимые, не связанные между собой научные наблюдения могут быть связаны друг с другом, объединены принципами увеличения объяснительной силы. ^{[57] [58]}

Поскольку новые теории могут быть более всеобъемлющими, чем те, что им предшествовали, и, следовательно, быть в состоянии объяснить больше, чем предыдущие, последующие теории могут соответствовать более высоким стандартам, объясняя больший объем наблюдений, чем их предшественники. ^[57] Например, теория эволюции объясняет разнообразие жизни на Земле , то, как виды приспосабливаются к окружающей среде, и многие другие закономерности, наблюдаемые в мире природы; ^{[59] [60]} его последней крупной модификацией было объединение с генетикой, чтобы сформировать современный эволюционный синтез . В последующих модификациях он также включал аспекты многих других областей, таких как биохимия имолекулярная биология .

Убеждения и предубеждения

Научная методология часто предписывает проверять гипотезы в контролируемых условиях, когда это возможно. Это часто возможно в определенных областях, например, в биологических науках, и труднее в других областях, например, в астрономии.

Практика экспериментального контроля и воспроизводимости может иметь эффект уменьшения потенциально вредных последствий обстоятельств и, в некоторой степени, личных предубеждений. Например, ранее существовавшие убеждения могут изменить интерпретацию результатов, как в случае смещения подтверждения ; это эвристика, которая заставляет человека с определенным убеждением рассматривать вещи как подкрепляющие его убеждения, даже если другой наблюдатель может не согласиться (другими словами, люди склонны наблюдать то, что они ожидают увидеть).

Историческим примером является вера в то, что ноги скачущей лошади растопырены в точке, когда ни одна из ног лошади не касается земли, до такой степени, что это изображение было включено в картины его сторонниками. Однако первые стоп-кадры скачки лошади, сделанные Эдвардом Мейбриджем, показали, что это ложь, и что ноги вместо этого собраны вместе. ^[61]

Еще одна важная человеческая предвзятость, которая играет роль, - это предпочтение новых, неожиданных утверждений (см. Обращение к новизне ), что может привести к поиску доказательств того, что новое истинно. ^[62] Плохо подтвержденным убеждениям можно верить и действовать с помощью менее строгой эвристики. ^[63]

Гольдхабер и Ньето опубликовали в 2010 году наблюдение о том, что если теоретические структуры со «множеством тесно соседних предметов описываются путем соединения теоретических концепций, то теоретическая структура приобретает устойчивость, которая делает ее все более трудной - хотя, конечно, никогда не бывает невозможной - перевернуть». ^[58] Когда повествование построено, его элементам становится легче поверить. ^[64] Подробнее об ошибке повествования см. Также Fleck 1979., п. 27: «Слова и идеи изначально являются фонетическими и ментальными эквивалентностями совпадающих с ними переживаний. ... Такие прото-идеи поначалу всегда слишком широки и недостаточно специализированы ... Когда-то структурно завершенная и закрытая система мнений, состоящая из сформировалось множество деталей и отношений, оно оказывает стойкое сопротивление всему, что ему противоречит ». Иногда их элементы предполагаются априори или содержат какой-либо другой логический или методологический недостаток в процессе, который в конечном итоге их породил. Дональд М. Маккей проанализировал эти элементы с точки зрения пределов точности измерения и связал их с инструментальными элементами в категории измерения. ^[65]

Элементы научного метода

Существуют разные способы описания основного метода научного исследования. Научное сообщество и философы науки в целом согласны на следующей классификации компонентов метода. Эти методологические элементы и организация процедур более характерны для естественных наук, чем для социальных наук . Тем не менее, цикл формулирования гипотез, тестирования и анализа результатов, а также формулирования новых гипотез будет напоминать цикл, описанный ниже.

Научный метод - это итеративный, циклический процесс, посредством которого информация постоянно обновляется. ^{[66] [67]} Общепризнанно, что развитие знаний достигается за счет следующих элементов, в различных комбинациях или вкладах: ^{[68] [69]}

• Характеристики (наблюдения, определения и измерения объекта исследования)
• Гипотезы (теоретические, гипотетические объяснения наблюдений и измерений объекта)
• Предсказания (индуктивные и дедуктивные рассуждения на основе гипотезы или теории)
• Эксперименты (тесты всего вышеперечисленного)

Каждый элемент научного метода подлежит экспертной оценке на предмет возможных ошибок. Эти виды деятельности не описывают все, что делают ученые, но относятся в основном к экспериментальным наукам (например, физике, химии и биологии). Вышеупомянутые элементы часто преподаются в системе образования как «научный метод». ^[70]

Научный метод - это не единственный рецепт: он требует ума, воображения и творчества. ^[71] В этом смысле это не бессмысленный набор стандартов и процедур, которым необходимо следовать, а, скорее, непрерывный цикл , постоянно развивающий более полезные, точные и всеобъемлющие модели и методы. Например, когда Эйнштейн разработал специальную и общую теорию относительности, он никоим образом не опровергал и не сбрасывал со счетов Принципы Ньютона.. Напротив, если из теорий Эйнштейна убрать астрономически массивные, легкие и чрезвычайно быстрые явления - все явления, которые Ньютон не мог наблюдать, - останутся уравнения Ньютона. Теории Эйнштейна являются расширением и уточнением теорий Ньютона и, таким образом, повышают доверие к работе Ньютона.

Линеаризованная прагматическая схема из четырех вышеперечисленных пунктов иногда предлагается в качестве руководства для дальнейших действий: ^[72]

1. Задайте вопрос
2. Собирать информацию и ресурсы (наблюдать)
3. Сформируйте пояснительную гипотезу
4. Проверка гипотезы путем проведения эксперимента и сбора данных в воспроизводимым образом
5. Проанализировать данные
6. Интерпретируйте данные и сделайте выводы, которые послужат отправной точкой для новой гипотезы.
7. Опубликовать результаты
8. Повторный тест (часто проводится другими учеными)

Итерационный цикл, присущий этому пошаговому методу, снова идет от пункта 3 до пункта 6 и снова возвращается к пункту 3.

Хотя эта схема описывает типичный метод гипотезы / проверки ^[73], ряд философов, историков и социологов науки, включая Пола Фейерабенда , заявляют, что такие описания научного метода имеют мало отношения к тому, как наука фактически практикуется.

Характеристики

Научный метод зависит от все более сложных характеристик субъектов исследования. (В испытуемые также можно назвать нерешенные проблемы или неизвестные ). Например, Бенджамин Франклин высказал предположение, верно, что огонь святого Эльма был электрический в природе , но он взял длинный ряд экспериментов и теоретических изменений , чтобы установить это. При поиске соответствующих свойств предметов тщательное размышление может также повлечь за собой некоторые определения и наблюдения; что наблюдения часто требуют тщательного измерения и / или подсчета голосов.

Систематический и тщательный сбор измерений или подсчетов соответствующих величин часто является решающим различием между псевдонауками , такими как алхимия, и науками, такими как химия или биология. Научные измерения обычно представлены в виде таблиц, графиков или карт, и над ними выполняются статистические манипуляции, такие как корреляция и регрессия . Измерения могут проводиться в контролируемых условиях, таких как лаборатория, или на более или менее недоступных или не поддающихся манипуляциям объектах, таких как звезды или человеческое население. Для измерений часто требуются специализированные научные инструменты, такие как термометры , спектроскопы , ускорители частиц иливольтметры , и прогресс в области науки обычно тесно связан с их изобретением и усовершенствованием.

Я не привык говорить что-либо с уверенностью после одного или двух наблюдений.

-  Андреас Везалий , (1546) ^[74]

Неопределенность

Измерения в научной работе также обычно сопровождаются оценками их неопределенности . Неопределенность часто оценивается путем повторных измерений желаемой величины. Неопределенности также могут быть рассчитаны с учетом неопределенностей отдельных используемых величин. Подсчет вещей, таких как количество людей в стране в определенное время, также может иметь неопределенность из-за ограничений сбора данных. Или подсчеты могут представлять собой выборку желаемых количеств с неопределенностью, которая зависит от используемого метода отбора и количества взятых образцов.

Определение

Измерения требуют использования рабочих определений соответствующих величин. То есть научная величина описывается или определяется тем, как она измеряется, в отличие от более расплывчатого, неточного или «идеализированного» определения. Например, электрический ток , измеряемый в амперах, можно оперативно определить как массу серебра, осажденного за определенное время на электроде в электрохимическом устройстве, которое описывается довольно подробно. Оперативное определение вещи часто основывается на сравнении со стандартами: операционное определение «массы» в конечном итоге основывается на использовании артефакта, такого как определенный килограмм платино-иридия, хранящийся в лаборатории во Франции.

Научное определение термина иногда существенно отличается от его использования на естественном языке . Например, масса и вес в общем дискурсе совпадают по значению, но имеют разные значения в механике . Научные величины часто характеризуются своими единицами измерения, которые позже могут быть описаны в терминах обычных физических единиц при передаче работы.

Новые теории иногда разрабатываются после того, как выясняется, что определенные термины ранее не были достаточно четко определены. Например, первая статья Альберта Эйнштейна по теории относительности начинается с определения одновременности и способов определения длины . Эти идеи были пропущены Исааком Ньютоном , сказав : «Я не определяю время , пространство, место и движение как хорошо известные всем». Затем статья Эйнштейна демонстрирует, что они (а именно, абсолютное время и длина, не зависящие от движения) были приближениями. Фрэнсис Крикпредупреждает нас, что при характеристике предмета, однако, может быть преждевременным определять что-либо, если оно остается непонятным. ^[75] В исследовании сознания Криком он обнаружил, что легче изучать осознание в зрительной системе , чем , например, изучать свободу воли . Его поучительным примером был ген; ген был изучен гораздо хуже до того, как Уотсон и Крик впервые открыли структуру ДНК; было бы контрпродуктивно тратить много времени на определение гена до них.

ДНК-характеристики

История открытия структуры ДНК является классическим примером элементов научного метода : в 1950 году было известно , что генетическая наследственность имела математическое описание, начиная с исследованиями Грегора Менделя , и что ДНК содержали генетическую информацию ( Трансформирующий принцип Освальда Эйвери ). ^[41] Но механизм хранения генетической информации (например, генов) в ДНК был неясен. Исследователи в Брэгге лаборатории Кембриджского университета сделали рентгеновскую дифракционные картины различных молекул , начиная с кристаллами изсоль , и переходя к более сложным веществам. Используя данные, кропотливо собранные на протяжении десятилетий, начиная с ее химического состава, было определено, что должна быть возможность охарактеризовать физическую структуру ДНК, а рентгеновские изображения будут средством. ^[76] .. 2. ДНК-гипотезы.

Другой пример: прецессия Меркурия.

Элемент характеристики может потребовать длительного и всестороннего изучения, даже столетия. Чтобы полностью записать движение планеты Земля, потребовались тысячи лет измерений, выполненных халдейскими , индийскими , персидскими , греческими , арабскими и европейскими астрономами . Ньютон смог включить эти измерения в следствия своих законов движения . Но перигелия планеты Меркурий «s орбитыдемонстрирует прецессию, которая не может быть полностью объяснена законами движения Ньютона (см. диаграмму справа), как указывал Леверье в 1859 году. Наблюдаемая разница в прецессии Меркурия между теорией Ньютона и наблюдениями была одной из вещей, которые приходили в голову Альберту Эйнштейну как возможная ранняя проверка его общей теории относительности . Его релятивистские расчеты гораздо больше соответствовали наблюдениям, чем теория Ньютона. Разница составляет примерно 43 угловых секунды за столетие.

Развитие гипотез

Гипотеза является предложено объяснение явления, или поочередно мотивированное предложение предполагая возможную корреляцию между или среди множества явлений.

Обычно гипотезы имеют форму математической модели . Иногда, но не всегда, они также могут быть сформулированы как экзистенциальные утверждения , утверждающие, что некоторый конкретный случай изучаемого явления имеет некоторые характерные и причинные объяснения, которые имеют общую форму универсальных утверждений , утверждающих, что каждый случай явления имеет свое особая характеристика.

Ученые могут использовать любые имеющиеся у них ресурсы - собственное творчество, идеи из других областей, индуктивные рассуждения , байесовский вывод и т. Д. - чтобы представить возможные объяснения изучаемого явления. Альберт Эйнштейн однажды заметил, что «нет логического моста между явлениями и их теоретическими принципами». ^[78] Чарльз Сандерс Пирс , заимствуя страницу из книги Аристотеля ( Prior Analytics , 2.25 ), описал начальные этапы исследования , вызванные «раздражением сомнения», чтобы отважиться на правдоподобное предположение, как абдуктивное рассуждение.. История науки наполнена историями об ученых, заявляющих о «вспышке вдохновения» или догадке, которая затем побуждала их искать доказательства, подтверждающие или опровергающие свою идею. Майкл Поланьи сделал такое творчество центральным элементом обсуждения методологии.

Уильям Глен отмечает, что ^[79]

Успех гипотезы или ее служение науке заключается не просто в ее воспринимаемой «истине» или способности вытеснять, включать или уменьшать предшествующую идею, но, возможно, больше в ее способности стимулировать исследования, которые проливают свет ... грубые предположения и области нечеткости.

Как правило, ученые склонны искать « элегантные » или « красивые » теории . Ученые часто используют эти термины для обозначения теории, которая соответствует известным фактам, но, тем не менее, относительно проста и понятна. Бритва Оккама служит практическим правилом для выбора наиболее желательной из группы одинаково объясняющих гипотез.

Чтобы свести к минимуму систематическую ошибку подтверждения, возникающую в результате принятия одной гипотезы, строгий вывод подчеркивает необходимость использования нескольких альтернативных гипотез. ^[80]

ДНК-гипотезы

Линус Полинг предположил, что ДНК может быть тройной спиралью . ^[81] Эта гипотеза была также рассмотрена Фрэнсисом Криком и Джеймсом Д. Уотсоном, но отвергнута. Когда Уотсон и Крик узнали о гипотезе Полинга, они поняли из имеющихся данных, что Полинг был неправ ^[82] и что Полинг скоро признает свои трудности с этой структурой. Итак, гонка была начата, чтобы выяснить правильную структуру (за исключением того, что Полинг не осознавал в то время, что он участвовал в гонке) . ДНК-предсказания

Предсказания от гипотезы

Любая полезная гипотеза позволит делать прогнозы путем рассуждений, включая дедуктивные рассуждения . Он может предсказать результат эксперимента в лабораторных условиях или наблюдение явления в природе. Прогноз также может быть статистическим и иметь дело только с вероятностями.

Важно, чтобы результат проверки такого прогноза в настоящее время неизвестен. Только в этом случае успешный исход увеличивает вероятность того, что гипотеза верна. Если результат уже известен, он называется следствием и уже должен был быть учтен при формулировании гипотезы .

Если прогнозы недоступны с помощью наблюдения или опыта, гипотеза еще не поддается проверке и поэтому останется в строгом смысле ненаучной. Новая технология или теория могут сделать необходимые эксперименты возможными. Например, хотя гипотеза о существовании других разумных видов может быть убедительной с помощью научно обоснованных предположений, не существует известного эксперимента, который мог бы проверить эту гипотезу. Следовательно, сама наука мало что может сказать о такой возможности. В будущем новая методика может позволить провести экспериментальную проверку, и тогда предположение станет частью общепринятой науки.

ДНК-предсказания

Джеймс Д. Уотсон , Фрэнсис Крик и другие предположили, что ДНК имеет спиральную структуру. Это означало, что картина дифракции рентгеновских лучей ДНК будет иметь «x-образную форму». ^{[44] [83]} Это предсказание последовало из работы Кокрена, Крика и Ванда ^[45] (и независимо от Стокса). Теорема Кохрана-Крика-Ванда-Стокса дала математическое объяснение эмпирическому наблюдению, согласно которому дифракция на спиральных структурах дает x-образные структуры.

В своей первой статье Уотсон и Крик также отметили, что предложенная ими структура двойной спирали обеспечивает простой механизм репликации ДНК , написав: «От нашего внимания не ускользнуло то, что определенное спаривание, которое мы постулировали, сразу же предполагает возможный механизм копирования для генетического материал ». ^[84] ..4. ДНК-эксперименты

Другой пример: общая теория относительности

Теория Эйнштейна общей теории относительности делает несколько конкретных прогнозов относительно наблюдаемой структуры пространства-времени , как , например, легких изгибы в гравитационном поле , и что величина изгиба зависит точный путь от силы этого гравитационного поля. Наблюдения Артура Эддингтона , сделанные во время солнечного затмения 1919 года, подтвердили общую теорию относительности, а не ньютоновскую гравитацию . ^[85]

Эксперименты

После того, как прогнозы сделаны, их можно искать с помощью экспериментов. Если результаты теста противоречат прогнозам, гипотезы, которые их повлекли, ставятся под сомнение и становятся менее обоснованными. Иногда эксперименты проводятся неправильно или не очень хорошо спланированы по сравнению с решающим экспериментом . Если экспериментальные результаты подтверждают прогнозы, то гипотезы считаются более верными, но все же могут быть ошибочными и продолжать подлежать дальнейшему тестированию. Экспериментальный контрольэто метод работы с ошибками наблюдения. Этот метод использует контраст между несколькими образцами (или наблюдениями) в различных условиях, чтобы увидеть, что меняется, а что остается неизменным. Мы меняем условия для каждого измерения, чтобы определить, что изменилось. Каноны Милля могут помочь нам понять, в чем состоит важный фактор. ^[86] Факторный анализ - это один из методов обнаружения важного фактора в эффекте.

В зависимости от прогнозов эксперименты могут иметь разную форму. Это может быть классический эксперимент в лабораторных условиях, двойное слепое исследование или археологические раскопки . Даже полет на самолете из Нью-Йорка в Париж - это эксперимент, проверяющий аэродинамические гипотезы, использованные при создании самолета.

Ученые предполагают открытость и ответственность со стороны тех, кто проводит эксперимент. Подробное ведение записей имеет важное значение, чтобы помочь в регистрации и представлении результатов экспериментов, а также поддерживает эффективность и целостность процедуры. Они также помогут воспроизвести экспериментальные результаты, вероятно, другими. Следы этого подхода можно увидеть в работе Гиппарха (190–120 гг. До н.э.), при определении значения прецессии Земли, в то время как контролируемые эксперименты можно увидеть в работах Джабира ибн Хайяна (721–815 гг. аль-Баттани (853–929) и Альхазен (965–1039). ^[87]

ДНК-эксперименты

Уотсон и Крик представили первоначальное (и неправильное) предложение по структуре ДНК команде из Королевского колледжа - Розалинд Франклин , Морису Уилкинсу и Раймонду Гослингу . Франклин сразу заметил недостатки, связанные с содержанием воды. Позже Уотсон увидел подробные рентгеновские дифракционные изображения Франклина, показавшие форму X ^[88], и смог подтвердить, что структура является спиральной. ^{[46] [47]} Это возродило модель здания Уотсона и Крика и привело к созданию правильной структуры. ..1. ДНК-характеристики

Оценка и улучшение

Научный метод итеративен. На любом этапе можно уточнить его точность и точность , так что некоторые соображения заставят ученого повторить более раннюю часть процесса. Неспособность разработать интересную гипотезу может привести к тому, что ученый изменит определение рассматриваемого предмета. Неспособность гипотезы произвести интересные и проверяемые предсказания может привести к пересмотру гипотезы или определения предмета. Неспособность эксперимента дать интересные результаты может заставить ученого пересмотреть экспериментальный метод, гипотезу или определение предмета.

Другие ученые могут начать собственное исследование и включиться в процесс на любом этапе. Они могут принять характеристику и сформулировать свою собственную гипотезу, или они могут принять гипотезу и сделать свои собственные прогнозы. Часто эксперимент не проводится человеком, сделавшим прогноз, а характеристика основана на экспериментах, проведенных кем-то другим. Опубликованные результаты экспериментов также могут служить гипотезой, предсказывающей их собственную воспроизводимость.

ДНК-итерации

После длительных бесплодных экспериментов, будучи обескуражено выше их от продолжающегося и многочисленных неудачных попыток, ^{[89] [90] [91]} Уотсон и Крик был в состоянии вывести существенную структуру ДНК с помощью конкретного моделирования физических форм этих нуклеотидов , которые составляют его. ^{[48] [92]} Они руководствовались длинами связей, которые были выведены Линусом Полингом и рентгеновскими дифракционными изображениями Розалинды Франклин . .. Пример ДНК

Подтверждение

Наука - это социальное предприятие, и научная работа, как правило, принимается научным сообществом, когда она подтверждается. Важно отметить, что экспериментальные и теоретические результаты должны воспроизводиться другими участниками научного сообщества. Исследователи отдали свои жизни за это видение; Георг Вильгельм Рихман был убит шаровой молнией (1753 г.) при попытке повторить эксперимент Бенджамина Франклина 1752 г. по запуску воздушного змея . ^[93]

Для защиты от неверных научных данных и мошенничества в государственных учреждениях, предоставляющих исследования, таких как Национальный научный фонд , и научных журналах, включая Nature и Science , существует политика, согласно которой исследователи должны архивировать свои данные и методы, чтобы другие исследователи могли проверять данные и методы и опираться на предыдущие исследования. Архивирование научных данных может производиться в ряде национальных архивов США или в Мировом центре данных .

Модели научного исследования

Классическая модель

Классическая модель научного исследования происходит от Аристотеля ^[94], который различал формы приблизительного и точного рассуждений, изложил тройную схему абдуктивного , дедуктивного и индуктивного вывода , а также рассматривал сложные формы, такие как рассуждение, по аналогии .

Гипотетико-дедуктивная модель

Гипотетико-дедуктивная модель или метод предложенного описание научного метода. Здесь предсказания, основанные на гипотезе, являются центральными: если вы предполагаете, что гипотеза верна, какие последствия последуют?

Если последующее эмпирическое исследование не демонстрирует, что эти последствия или предсказания соответствуют наблюдаемому миру, гипотеза может быть признана ложной.

Прагматическая модель

В 1877 году ^[23] Чарльз Сандерс Пирс (1839–1914) охарактеризовал исследование в целом не как поиск истины как таковой, а как борьбу за то, чтобы избавиться от раздражающих, сдерживающих сомнений, порожденных неожиданностями, разногласиями и т. Д., И достичь надежная вера, вера - это то, на что готов действовать. Он рассматривал научное исследование как часть более широкого спектра и стимулировал, как и исследование в целом, действительное сомнение, а не просто словесное или гиперболическое сомнение , которое он считал бесплодным. ^[95] Он обрисовал четыре метода урегулирования мнений в порядке от наименее к наиболее успешному:

1. Метод упорства (политика приверженности первоначальной вере), который приносит утешение и решительность, но ведет к попыткам игнорировать противоположную информацию и взгляды других, как если бы правда была по сути своей частной, а не публичной. Это противоречит социальному импульсу и легко дает сбой, поскольку можно хорошо заметить, когда мнение другого так же хорошо, как и его собственное первоначальное мнение. Его успехи могут показаться блестящими, но, как правило, временными. ^[96]
2. Метод власти, который преодолевает разногласия, но иногда жестоко. Его успехи могут быть величественными и долговечными, но он не может действовать достаточно тщательно, чтобы бесконечно подавлять сомнения, особенно когда люди узнают о других обществах настоящего и прошлого.
3. Метод априори, который менее жестоко продвигает конформность, но поощряет мнения как нечто вроде вкусов, возникающих в разговоре и сравнении точек зрения с точки зрения «того, что приемлемо для разума». Таким образом, это зависит от моды в парадигмах и идет по кругу с течением времени. Он более интеллектуален и респектабелен, но, как и первые два метода, поддерживает случайные и капризные убеждения, заставляя некоторые умы сомневаться в этом.
4. Научный метод - метод, при котором исследование считает себя подверженным ошибкам и намеренно проверяет себя, критикует, исправляет и улучшает себя.

Пирс считал, что медленное, спотыкающееся рассуждение может опасно уступать инстинкту и традиционным чувствам в практических вопросах и что научный метод лучше всего подходит для теоретических исследований ^[97], которые, в свою очередь, не должны попираться другими методами и практическими целями; «Первое правило» разума состоит в том, что для того, чтобы учиться, человек должен желать учиться и, как следствие, не должен блокировать путь исследования. ^[98] Научный метод превосходит другие, поскольку он намеренно разработан, чтобы прийти - в конечном итоге - к наиболее надежным убеждениям, на которых могут основываться наиболее успешные практики. Исходя из того, что люди ищут не истину как таковуюно вместо того, чтобы подавить раздражающее, сдерживающее сомнение, Пирс показал, как в ходе борьбы некоторые могут прийти к согласию с истиной ради целостности веры, искать как истину руководство потенциальной практики, верное для ее поставленной цели, и вступить в брак с ней. научный метод. ^{[23] [26]}

Для Пирса рациональное исследование предполагает предположения об истине и реальном; рассуждать - значит предполагать (и, по крайней мере, надеяться) в качестве принципа саморегуляции рассуждающего, что реальное можно обнаружить и не зависит от наших капризов мнений. В этом ключе он определил истину как соответствие знака (в частности, предложения) его объекту и, прагматически, не как фактический консенсус некоторого определенного, конечного сообщества (такое, что запрос означал бы опрос экспертов), но вместо того, чтобы как то окончательное мнение , которое все исследователи бы достичь рано или поздно , но все же неизбежно, если они должны были выдвинуть расследование достаточно далеко, даже тогда , когда они начинают с разных точек. ^[99]В тандеме он определил реальное как истинный объект знака (будь этот объект возможностью или качеством, действительностью или грубым фактом, необходимостью, нормой или законом), который является тем, чем он является независимо от мнения любого конечного сообщества и прагматически , зависит только от окончательного мнения, вынесенного в ходе достаточного расследования. Это пункт назначения так далеко или близко, как сама истина для вас, или меня, или данного конечного сообщества. Таким образом, его теория исследования сводится к «Занимайся наукой». Эти концепции истины и реального включают в себя идею сообщества как без определенных ограничений (и, таким образом, потенциально самокорректирующегося, насколько это необходимо), так и способного к определенному увеличению знаний. ^[100] Как вывод, «логика коренится в социальном принципе», поскольку она зависит от точки зрения, которая в некотором смысленеограниченный.^[101]

Уделяя особое внимание генерации объяснений, Пирс обрисовал научный метод как координацию трех видов умозаключений в целенаправленном цикле, направленном на устранение сомнений, следующим образом (в §III – IV в «Пренебрегаемом аргументе» ^[5], за исключением иначе указано):

1. Похищение (или возвращение). Гадание, вывод объяснительных гипотез для выбора тех, которые стоит попробовать. От похищения Пирс отличает индукцию как вывод на основе тестов доли истинности в гипотезе. Каждое исследование, будь то идеи, грубые факты или нормы и законы, возникает в результате неожиданных наблюдений в одной или нескольких из этих сфер (и, например, на любой стадии уже начатого расследования). Все объяснительное содержание теорий исходит из абдукции, которая предполагает новую или постороннюю идею, чтобы простым и экономичным способом объяснить удивительное или сложное явление. Часто даже хорошо подготовленный ум ошибается. Но успех наших догадок намного превосходит простую удачу, и кажется, что они рождаются из настроения на природу благодаря развитым или врожденным инстинктам.особенно постольку, поскольку наилучшие догадки оптимально правдоподобны и просты в том смысле, как сказал Пирс, «легкого и естественного», какЕстественный свет разума Галилея и в отличие от «логической простоты». Похищение - самый плодотворный, но наименее надежный способ вывода. Его общее обоснование индуктивно: оно достаточно часто оказывается успешным, и без него нет никакой надежды на достаточно ускоренное исследование (часто на несколько поколений) в поисках новых истин. ^[102] Координационный метод ведет от выдвижения правдоподобной гипотезы к оценке ее на предмет ее проверяемости ^[103] и того, как ее испытание могло бы сэкономить само исследование. ^[104] Пирс называет свой прагматизм «логикой похищения». ^[105] Его прагматическая максимагласит: «Подумайте, какие эффекты, которые, возможно, могут иметь практическое значение, как вы думаете, должны иметь объекты вашей концепции. Тогда ваше представление об этих эффектах составляет всю вашу концепцию объекта». ^[99]Его прагматизм - это метод плодотворного уменьшения концептуальной путаницы путем уравнивания значения любой концепции с возможными практическими последствиями задуманных эффектов ее объекта - метод экспериментальной ментальной рефлексии, благоприятный для формирования гипотез и способствующий их проверке. Это способствует эффективности. Гипотеза, будучи ненадежной, должна иметь практическое значение, ведущее, по крайней мере, к ментальным тестам, а в науке - к научным проверкам. Простая, но маловероятная догадка, если ее не дорого проверить на ложность, может оказаться первой в очереди на проверку. Предположение, по сути, стоит проверить, имеет ли оно инстинктивное правдоподобие или аргументированную объективную вероятность, в то время как субъективное правдоподобиехотя и аргументированный, но может быть обманчиво соблазнительным. Догадки могут быть выбраны для испытания стратегически, из-за их осторожности (для чего Пирс привел в качестве примера игру « Двадцать вопросов» ), широты и сложности . ^[106] Можно надеяться открыть только то, что в любом случае покажет время через достаточный опыт учащегося, поэтому цель состоит в том, чтобы ускорить это; Экономия исследований - вот что требует, так сказать, скачка похищения и управляет его искусством. ^[104]
2. Удержание . Два этапа:
   1. Экспликация. Неясно посыланный, но дедуктивный анализ гипотезы, чтобы сделать ее части как можно более ясными.
   2. Демонстрация: дедуктивная аргументация, евклидова процедура. Явный вывод следствий гипотезы в виде прогнозов, для индукции и проверки, о доказательствах, которые необходимо найти. Следствие или, если нужно, теоретическое.
3. Индукция . Долгосрочная обоснованность правила индукции выводится из принципа (предположительного для рассуждений в целом ^[99] ), что реальное является лишь объектом окончательного мнения, к которому приведет адекватное исследование; ^[107] все, к чему не приведет ни один такой процесс, было бы ненастоящим. Индукция, включающая постоянные испытания или наблюдения, следует методу, который, при достаточной настойчивости, уменьшит его погрешность ниже любой заранее заданной степени. Три этапа:
   1. Классификация. Нечеткие предпосылки, но индуктивная классификация предметов опыта в соответствии с общими идеями.
   2. Испытательный срок: прямая индуктивная аргументация. Грубый (перечисление примеров) или постепенный (новая оценка доли истинности в гипотезе после каждой проверки). Постепенная индукция бывает качественной или количественной; если качественный, то в зависимости от веса качеств или характеров; ^[108] если количественный, то зависит от измерений, статистики или подсчета.
   3. Предсказательная индукция. «... который, посредством индуктивных рассуждений, оценивает разные испытания по отдельности, затем их комбинации, затем производит самооценку самих этих оценок и выносит окончательное суждение по всему результату».

Наука о сложных системах

Наука, применяемая к сложным системам, может включать такие элементы, как трансдисциплинарность , теория систем и научное моделирование . Институт Санта-Фе изучает такие системы; ^[109] Мюррей Гелл-Манн связывает эти темы с передачей сообщений . ^[110]

В общем, научный метод может быть трудно строго применить к разнородным, взаимосвязанным системам и большим наборам данных. В частности, методы, используемые в больших данных , такие как прогнозная аналитика , могут считаться противоречащими научному методу. ^[111]

Общение и сообщество

Часто научный метод используется не только одним человеком, но и несколькими людьми, которые прямо или косвенно сотрудничают друг с другом. Такое сотрудничество можно рассматривать как важный элемент научного сообщества . В такой среде используются различные стандарты научной методологии.

Экспертная оценка

Научные журналы используют процесс рецензирования, в котором рукописи ученых отправляются редакторами научных журналов (обычно от одного до трех и обычно анонимных) коллег-ученых, знакомых с данной областью, для оценки. В некоторых журналах рецензентов выбирает сам журнал; в то время как в других (особенно в очень специализированных журналах) автор рукописи может рекомендовать рецензентов. Рецензенты могут или не могут рекомендовать публикацию, или они могут рекомендовать публикацию с предлагаемыми изменениями, а иногда и публикацию в другом журнале. Этот стандарт в той или иной степени практикуется различными журналами и может иметь эффект защиты литературы от очевидных ошибок и общего улучшения качества материала, особенно в тех журналах, которые используют стандарт наиболее строго.Процесс рецензирования может иметь ограничения при рассмотрении исследований вне традиционной научной парадигмы: проблемы "групповое мышление "может помешать открытому и справедливому обсуждению некоторых новых исследований. ^[112]

Документация и тиражирование

Иногда экспериментаторы могут совершать систематические ошибки во время своих экспериментов, отклоняться от стандартных методов и практик ( патологическая наука ) по разным причинам или, в редких случаях, сознательно сообщать о ложных результатах. Иногда из-за этого другие ученые могут попытаться повторить эксперименты, чтобы дублировать результаты.

Архивирование

Иногда исследователи практикуют архивирование научных данных , например, в соответствии с политикой государственных финансовых агентств и научных журналов. В этих случаях могут быть сохранены подробные записи об их экспериментальных процедурах, необработанные данные, статистический анализ и исходный код, чтобы предоставить доказательства методологии и практики процедуры и помочь в любых потенциальных будущих попытках воспроизвести результат . Эти процедурные записи могут также помочь в разработке новых экспериментов для проверки гипотезы и могут оказаться полезными для инженеров, которые могут изучить потенциальные практические применения открытия.

Обмен данными

Если перед воспроизведением исследования требуется дополнительная информация, автора исследования могут попросить предоставить ее. Они могут предоставить его, или, если автор отказывается делиться данными , можно подать апелляцию к редакторам журнала, опубликовавшим исследование, или в учреждение, которое финансировало исследование.

Ограничения

Поскольку ученый не может зафиксировать все, что имело место в эксперименте, факты, отобранные по их очевидной значимости, сообщаются. Это может неизбежно привести к проблемам позже, если будет поставлена ​​под сомнение некоторая предположительно несущественная функция. Например, Генрих Герц не сообщил о размере комнаты, используемой для проверки уравнений Максвелла, которые, как позже выяснилось, объясняли небольшое отклонение в результатах. Проблема в том, что некоторые части теории должны быть приняты, чтобы выбрать и сообщить экспериментальные условия. Поэтому наблюдения иногда называют «теоретическими».

Философия и социология науки

Аналитическая философия

Философия науки смотрит на логику, лежащую в основе научного метода, на то, что отделяет науку от ненаучности , и на этику, которая подразумевается в науке. Существуют базовые предположения, взятые из философии по крайней мере одним выдающимся ученым, которые составляют основу научного метода, а именно, что реальность объективна и непротиворечива, что люди обладают способностью точно воспринимать реальность и что для элементов существуют рациональные объяснения. реального мира. ^[113] Эти допущения методологического натурализма составляют основу, на которой может строиться наука. Логический позитивист , эмпирик , фальсификационист, и другие теории критиковали эти предположения и давали альтернативные объяснения логики науки, но каждая сама подвергалась критике.

Томас Кун исследовал историю науки в своей книге «Структура научных революций» и обнаружил, что реальный метод, используемый учеными, резко отличается от метода, который был тогда популярным. Его наблюдения за научной практикой, по сути, являются социологическими и не говорят о том, как наука практикуется или может практиковаться в другие времена и в других культурах.

Норвуд Рассел Хэнсон , Имре Лакатос и Томас Кун проделали обширную работу над "теоретическим" характером наблюдения. Хэнсон (1958) впервые ввел термин для обозначения идеи о том, что все наблюдения зависят от концептуальной основы наблюдателя , используя концепцию гештальта, чтобы показать, как предвзятые мнения могут влиять как на наблюдение, так и на описание. ^[114] Он открывает главу 1 с обсуждения тел Гольджи и их первоначального отказа как артефакта техники окрашивания, а также с обсуждения Браге и Кеплера, наблюдающих за рассветом и видящих восход «другого» солнца, несмотря на то же физиологическое явление. Kuhn^[115] и Фейерабенд ^[116] признают новаторское значение его работы.

Кун (1961) сказал, что ученый обычно имеет в виду теорию, прежде чем разрабатывать и проводить эксперименты, чтобы делать эмпирические наблюдения, и что «путь от теории к измерению почти никогда не может быть пройден назад». Это означает, что способ проверки теории продиктован природой самой теории, что побудило Кун (1961, стр. 166) утверждать, что «если она принята профессией ... быть протестированным с помощью любых количественных тестов, которые он еще не прошел ". ^[117]

Постмодернизм и научные войны

Пол Фейерабенд аналогичным образом исследовал историю науки и был вынужден отрицать, что наука действительно является методологическим процессом. В своей книге « Против метода» он утверждает, что научный прогресс не является результатом применения какого-либо конкретного метода. По сути, он говорит, что для любого конкретного метода или нормы науки можно найти исторический эпизод, когда ее нарушение способствовало прогрессу науки. Таким образом, если сторонники научного метода хотят выразить единственное универсально действующее правило, шутливо предлагает Фейерабенд, это должно быть «все идет». ^[118] Критика, подобная его, привела к сильной программе , радикальному подходу к социологии науки .

В постмодернистской критике науки сам по себе является предмет интенсивных споров. Эти непрекращающиеся дебаты, известные как научные войны , являются результатом противоречия ценностей и предположений между лагерями постмодернистов и реалистов . В то время как постмодернисты утверждают, что научное знание - это просто еще один дискурс (обратите внимание, что этот термин имеет особое значение в этом контексте) и не отражает какую-либо форму фундаментальной истины, реалистыв научном сообществе утверждают, что научное знание действительно раскрывает реальные и фундаментальные истины о реальности. Многие книги написаны учеными, которые рассматривают эту проблему и оспаривают утверждения постмодернистов, защищая науку как законный метод получения истины. ^[119]

Антропология и социология

В антропологии и социологии , после полевых исследований в академической научной лаборатории по Латурам и Вулгару , Карин Кнорр Цетина провела сравнительное исследование двух научных направлений (а именно физики высоких энергий и молекулярная биология ) к выводу , что эпистемическая практика и рассуждений в рамках обоихов научные сообщества достаточно различны, чтобы ввести понятие « эпистемических культур » в противоречие с идеей, что так называемый «научный метод» является уникальным и объединяющим понятием. ^[120]

Роль случая в открытии

Где - то между 33% и 50% всех научных открытий , по оценкам, были наткнулись , а не искал. Это может объяснить, почему ученые так часто заявляют, что им повезло. ^[121] Луи Пастеру приписывают известное высказывание, что «Удача способствует подготовленному уму», но некоторые психологи начали изучать, что значит быть «подготовленным к удаче» в научном контексте. Исследования показывают, что ученых учат различным эвристикам, которые используют случайности и неожиданности. ^{[121] [122]} Это то, что Нассим Николас Талеб называет «антихрупкостью»; в то время как некоторые системы расследования хрупки перед лицом человеческой ошибки, человеческая предвзятость и случайность, научный метод более чем стойкий или жесткий - он действительно выигрывает от такой случайности во многих отношениях (он анти-хрупкий). Талеб считает, что чем более уязвима система, тем больше она будет процветать в реальном мире. ^[27]

Психолог Кевин Данбар говорит, что процесс открытия часто начинается с того, что исследователи находят ошибки в своих экспериментах. Эти неожиданные результаты побуждают исследователей попытаться исправить то, что, по их мнению, является ошибкой в ​​их методе. В конце концов, исследователь решает, что ошибка слишком постоянная и систематическая, чтобы быть случайностью. Таким образом, строго контролируемые, осторожные и любопытные аспекты научного метода делают его подходящим для выявления таких постоянных систематических ошибок. На этом этапе исследователь начинает придумывать теоретические объяснения ошибки, часто обращаясь за помощью к коллегам из разных областей знаний. ^{[121] [122]}

Связь с математикой

Наука - это процесс сбора, сравнения и оценки предложенных моделей в сравнении с наблюдаемыми . Модель может быть симуляцией, математической или химической формулой или набором предлагаемых шагов. Наука похожа на математику в том смысле, что исследователи обеих дисциплин на каждом этапе открытия пытаются отличить известное от неизвестного . Модели как в естествознании, так и в математике должны быть внутренне непротиворечивыми, а также поддаваться опровержению (опровержению). В математике утверждение еще не нужно доказывать; на таком этапе это утверждение можно было бы назвать гипотезой. Но когда утверждение достигает математического доказательства, это утверждение обретает своего рода бессмертие, которое высоко ценится математиками и которому некоторые математики посвящают свою жизнь. ^[123]

Математическая работа и научная работа могут вдохновлять друг друга. ^[124] Например, техническое понятие времени возникло в науке , а безвременье было отличительной чертой математической темы. Но сегодня гипотеза Пуанкаре была доказана с использованием времени как математической концепции, в которой объекты могут течь (см. Поток Риччи ).

Тем не менее связь между математикой и реальностью (а значит, и наукой в ​​той мере, в какой она описывает реальность) остается неясной. Статья Юджина Вигнера « Неоправданная эффективность математики в естественных науках» - это хорошо известное изложение этого вопроса физиком, лауреатом Нобелевской премии. Фактически, некоторые наблюдатели (в том числе некоторые известные математики, такие как Грегори Чейтин , и другие, такие как Лакофф и Нуньес ) предположили, что математика является результатом предвзятости практикующих и человеческих ограничений (в том числе культурных), что-то вроде постмодернистского взгляд на науку.

Работа Джорджа Полиа по решению проблем , ^[125] построение математических доказательств и эвристика ^{[126] [127]} показывают, что математический метод и научный метод отличаются в деталях, но, тем не менее, похожи друг на друга в использовании итеративных или рекурсивных шагов. .

По мнению Полиа, понимание включает повторение незнакомых определений своими словами, обращение к геометрическим фигурам и сомнение в том, что мы знаем и чего уже не знаем; анализ , который Полиа занимает от Паппа , ^[128] предполагает свободное и эвристическое строительство вероятных аргументов, работая в обратном направлении от цели и разработка плана построения доказательства; синтез - это строгое евклидово изложение пошаговых деталей ^[129] доказательства; Обзор включает в себя повторное рассмотрение и повторное изучение результата и пути к нему.

Гаусс , когда его спросили, как он пришел к своим теоремам , однажды ответил: «durch planmässiges Tattonieren» (посредством систематических ощутимых экспериментов ). ^[130]

Имре Лакатос утверждал, что математики на самом деле используют противоречие, критику и пересмотр как принципы для улучшения своей работы. ^[131] Подобно науке, где истина ищут, но не находят уверенности, в Доказательствах и опровержениях (1976) Лакатос пытался установить, что никакая теорема неформальной математики не является окончательной или совершенной. Это означает, что мы не должны думать, что теорема в конечном итоге верна, а только о том, что нет контрпримера.еще не найдено. Как только контрпример, то есть объект, противоречащий / не объясненный теоремой, найден, мы корректируем теорему, возможно, расширяя область ее действия. Это непрерывный способ накопления наших знаний посредством логики и процесса доказательств и опровержений. (Однако если для какой-то области математики даны аксиомы, Лакатос утверждал, что доказательства этих аксиом были тавтологическими , то есть логически истинными , переписывая их, как это сделал Пуанкаре ( Proofs and Refutations , 1976).)

Лакатос предложил описание математических знаний, основанное на идее Пойи об эвристике . В книге «Доказательства и опровержения» Лакатос дал несколько основных правил для поиска доказательств и контрпримеров к предположениям. Он считал, что математические « мысленные эксперименты » - верный способ обнаружить математические предположения и доказательства. ^[132]

Связь со статистикой

Когда научный метод использует статистику как часть своего арсенала, возникают математические и практические проблемы, которые могут оказать пагубное влияние на надежность результатов научных методов. Это описано в популярной научной статье Джона Иоаннидиса «Почему большинство опубликованных исследований ложны» в 2005 году , которая считается основополагающей для области метанауки . ^[133] Многие исследования в области метанауки направлены на выявление плохого использования статистики и улучшение ее использования.

Поднятые конкретные вопросы носят статистический характер («Чем меньше исследований, проведенных в научной области, тем меньше вероятность того, что результаты исследования будут правдой» и «Чем больше гибкость в планах, определениях, результатах и ​​аналитических моделях в научной области, тем меньше вероятность того, что результаты исследования будут правдой ».) и экономически обоснованным (« Чем больше финансовых и других интересов и предубеждений в научной области, тем меньше вероятность того, что результаты исследования будут правдой »и« Чем горячее научная область ( с привлечением большего числа научных групп), тем меньше вероятность того, что результаты исследования будут правдивыми »). Следовательно:« Большинство результатов исследований неверны для большинства исследовательских проектов и для большинства областей »и« Как показано,большая часть современных биомедицинских исследований проводится в областях с очень низкой вероятностью получения истинных результатов до и после исследования ». Однако:« Тем не менее: «Тем не менее, большинство новых открытий по-прежнему будет происходить из исследований, генерирующих гипотезы, с низкими или очень низкими шансами до исследования "что означает, что * новые * открытия будут происходить в результате исследований, которые на момент их начала имели низкие или очень низкие шансы (низкий или очень низкий шанс) на успех. Следовательно, если научный метод используется для расширения границ знаний исследования в областях, выходящих за рамки мейнстрима, принесут самые новые открытия.Это означает, что * новые * открытия будут происходить из исследований, которые на момент начала исследования имели низкие или очень низкие шансы (низкий или очень низкий шанс) на успех. Следовательно, если научный метод используется для расширения границ знания, исследования в областях, которые находятся за пределами основного направления, принесут большинство новых открытий.Это означает, что * новые * открытия будут происходить из исследований, которые на момент начала исследования имели низкие или очень низкие шансы (низкий или очень низкий шанс) на успех. Следовательно, если научный метод используется для расширения границ знания, исследования в областях, которые находятся за пределами основного направления, принесут большинство новых открытий.

Смотрите также

Проблемы и проблемы

История, философия, социология

Примечания

Рекомендации

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

В Викиучебнике есть книга на тему: Научный метод.

В Викиверситете есть учебные ресурсы о научном мышлении

Викискладе есть медиафайлы, связанные с научным методом .

• Андерсен, Энн; Хепберн, Брайан. «Научный метод» . В Залте, Эдвард Н. (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии .
• «Подтверждение и индукция» . Интернет-энциклопедия философии .
• Научный метод в PhilPapers
• Научный метод в проекте Philosophy Ontology Project
• Введение в науку: научное мышление и научный метод Стивена Д. Шаферсмана.
• Введение в научный метод в Университете Рочестера
• Теоретическая нагрузка от Пола Ньюолла из Галилейской библиотеки
• Лекция Грега Андерсона по научному методу
• Использование научных методов при разработке проектов для научных выставок
• Научные методы - онлайн-книга Ричарда Д. Джаррарда.
• Ричард Фейнман «Ключ к науке» (одна минута, три секунды) из Корнельских лекций.
• Лекции по научному методу Ника Джоша Карина, Кевина Падиана , Майкла Шермера и Ричарда Докинза