Научный метод

Научный метод часто представляется как непрерывный процесс.

Научный метод является эмпирическим методом получения знаний , которые характеризовали развитие науки , по крайней мере , в 17 - м века. Он включает в себя тщательное наблюдение , применение строгого скептицизма в отношении наблюдаемого, учитывая, что когнитивные допущения 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 процедуры различаются от одной области исследования к другой, лежащий в основе процесс часто остается одним и тем же от одной области 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, основанных на этих предсказаниях. ^{[4] [5]} Гипотеза - это предположение, основанное на знаниях, полученных при поиске ответов на вопрос. Гипотеза может быть очень конкретной или 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. ^[6]

Цель эксперимента - определить, согласуются ли наблюдения с предсказаниями, полученными на основе гипотез, или противоречат им. ^[7] 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. ^[8] Не все шаги выполняются в каждом научном исследовании (и не в одинаковой степени), и они не всегда находятся в одном и том же порядке. ^{[9] [10]}

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 ненаучностью, такие как «ученый» и «псевдонаука». ^[16] 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. ^[16] В конце 19-го и начале 20-го веков дискуссии о реализме и антиреализме велись по мере того, как мощные научные теории выходили за рамки наблюдаемого.^[17]

Термин «научный метод» стал популярным в двадцатом веке, часто появляясь в словарях и учебниках по естествознанию, хотя научный консенсус относительно его значения был незначительным. ^[16] 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, подвергли сомнению универсальность «научного метода» и тем самым в значительной степени заменили его понятие науки как однородного и универсального метода с разнородной и локальной практикой. ^[16] В частности, Пол Фейерабенд в первом издании своей книги « Против метода» 1975 г., выступал против существования каких-либо универсальных правил науки . ^[17] Более поздние примеры включают в себя эссе физика Ли Смолина «Нет никакого научного метода» в 2013 году ^[18] 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. ^[19] Философы Роберт Нола и Ховард Санки в своей книге 2007 года « Теории научного метода» заявили, что споры о научном методе продолжаются, и утверждали, что Фейерабенд, несмотря на название « Против метода», принял определенные правила метода и попытался обосновать эти правила метаметодологией. ^[20]

Обзор

Научный метод - это процесс, посредством которого осуществляется наука . ^[21] Как и в других областях исследования, наука (посредством научного метода) может опираться на предыдущие знания и со временем развить более сложное понимание тем, изучаемых ею. ^{[22] [23] [24] [25] [26] [27]} Эта модель лежит в основе научной революции . ^[28]

Вездесущий элемент научного метода - эмпиризм . Это противоречит строгим формам рационализма : научный метод воплощает в себе то, что один только 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, обращение к традициям, общепринятым убеждениям, здравому смыслу или, что важно, нынешним 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 , ^[29] Альхазен , ^[30] Роджер Бэкон и Уильям Оккам . С 16 - го века и далее, эксперименты выступают Francis Bacon , и выполненный Джамбаттиста делла Порта , ^[31] Иоганн Кеплер , ^[32] и Галилео Галилей . ^[33] Особое развитие получили теоретические работы Франсиско Санчеса , ^[34] Джона Локка., Джордж Беркли и Дэвид Хьюм .

Гипотетико-дедуктивной модели ^[35] сформулирована в 20 - м веке, является идеальным , хотя она подверглась значительной переработки , так как первый предложенный (для более формального обсуждения, см § Элементы научного метода ). Стаддон (2017) утверждает, что было бы ошибкой пытаться следовать правилам ^[36], которые лучше всего усвоить путем внимательного изучения примеров научных исследований.

Процесс

Общий процесс включает в себя предположения ( гипотезы ), вывод из них предсказаний как логических следствий, а затем проведение экспериментов на основе этих предсказаний, чтобы определить, было ли исходное предположение правильным. ^[4] Однако есть трудности с формулировкой метода. Хотя научный метод часто представляет собой фиксированную последовательность шагов, эти действия лучше рассматривать как общие принципы. ^[9] Не все шаги выполняются в каждом научном исследовании (и не в одинаковой степени), и не всегда они выполняются в одном и том же порядке. Как отмечал ученый и философ Уильям Уэвелл (1794–1866), «изобретение, проницательность и гений»^[10] требуются на каждом этапе.

Постановка 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 из 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. ^[37]

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 принцип Фрэнсиса Крика «ДНК заставляет РНК производить белок» ^[38], или это может быть широко; 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.Можно предположить, что новое лекарство вылечит некоторых из этих людей. Термины, обычно связанные со статистическими гипотезами, - это нулевая гипотеза и альтернативная гипотеза . Нулевая гипотеза - это предположение о том, что статистическая гипотеза ложна; например, что новое лекарство ничего не делает 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 фальсифицируемой , 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 предсказание еще не известен из-за эффекта предвзятости ретроспективного взгляда (см. также постдикт ). В идеале прогноз должен также 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 ).^[39]

Тестирование

Это исследование того, ведет ли реальный мир себя так, как предсказано гипотезой. 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. ^[7]Эксперименты должны быть спланированы таким образом, чтобы минимизировать возможные ошибки, особенно за счет использования соответствующих научных средств контроля . Например, тесты на лечение обычно проводятся как двойные слепые тесты . Персоналу, проводящему тестирование, который может непреднамеренно раскрыть испытуемым, какие образцы являются желаемыми тестируемыми препаратами, а какие - плацебо , не знают, 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 доказательства опровергли гипотезу, требуется новая гипотеза; если эксперимент поддерживает гипотезу, но доказательств недостаточно для высокой достоверности, необходимо проверить другие прогнозы гипотезы. Как только гипотеза убедительно подтверждается доказательствами, можно задать новый вопрос, чтобы глубже проникнуть в суть той же темы. Свидетельства 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. Рентгенограммы 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-МакЛеода-Маккарти в 1944 г. ^[40], но механизм хранения генетической информации в ДНК был неясен.
• Гипотеза : Линус Полинг , Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон предположили, что ДНК имеет спиральную структуру. ^[41]
• Прогноз : если бы ДНК имела спиральную структуру, ее рентгенограмма была бы X-образной. ^{[42] [43]} Это предсказание было получено с использованием математики спирального преобразования, которое было получено Кокраном, Криком и Вандом ^[44] (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 для получения фотографии 51 . Результаты показали Х-образную форму.
• Анализ : Когда Уотсон увидел детальную дифракционную картину, он сразу же узнал в ней спираль. ^{[45] [46]} Затем он и Крик создали свою модель, используя эту информацию вместе с ранее известной информацией о составе ДНК, особенно правилами Чаргаффа о спаривании оснований. ^[47]

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 рассматривается далее в статье.

Прочие компоненты

Научный метод также включает другие компоненты, необходимые даже после того, как были выполнены все итерации вышеперечисленных шагов: ^[48]

Репликация

Если эксперимент не может быть повторен для получения тех же результатов, это означает, что исходные результаты могли быть ошибочными. В результате один эксперимент обычно 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. ^[49] Репликация стала спорным вопросом в социальной и биомедицинской науке, где лечение назначается группам людей. Обычно экспериментальная группа получает лечение, такое как лекарство, а контрольная группаполучает плацебо. Джон Иоаннидис в 2005 году указал, что используемый метод привел ко многим открытиям, которые невозможно воспроизвести. ^[50]

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 . Журнал, в котором публикуются результаты, указывает на воспринимаемое качество работы. ^[51]

Запись и обмен данными

Ученые обычно осторожны при записи своих данных - требование, продвигаемое Людвиком Флеком (1896–1961) и другими. ^[52] 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. ^[53]

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 делает предсказания, тем более полезным оно может быть и тем более вероятно, что оно будет и дальше объяснять совокупность доказательств лучше, чем его альтернативы. Наиболее успешные объяснения - те, которые объясняют и делают точные прогнозы в широком диапазоне обстоятельств - часто называют 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. ^[54] 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 заданной теме, и рассматриваемое объяснение оказывается более действенным, чем его альтернативы при объяснении доказательств. Часто последующие исследователи переформулируют объяснения с течением времени или комбинируют объяснения, чтобы получить новые объяснения.

Тоа рассматривает научный метод в терминах эволюционного алгоритма, применяемого в науке и технике. ^[55]

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 модификаций предыдущей теории достаточно для объяснения новых свидетельств. Сила теории может быть доказана ^{[ кем? ]} для обозначения того, как долго он существует без серьезных изменений в его основных принципах.

Теории также могут быть включены в другие теории. Например, законы Ньютона почти идеально объяснили тысячелетия научных наблюдений за планетами . Однако затем было определено, что эти законы являются частными случаями более общей теории (теории относительности ), которая объясняла как (ранее необъясненные) исключения из законов Ньютона, а также предсказывала и объясняла другие наблюдения, такие как отклонение света под действием силы тяжести . Таким образом, в определенных случаях независимые, несвязанные научные наблюдения могут быть связаны друг с другом, объединены принципами возрастающей объяснительной силы. ^{[56] [57]}

Поскольку новые теории могут быть более всеобъемлющими, чем те, что им предшествовали, и, таким образом, быть в состоянии объяснить больше, чем предыдущие, последующие теории могут соответствовать более высоким стандартам, объясняя больший объем наблюдений, чем их предшественники. ^[56] Например, теория эволюции объясняет разнообразие жизни на Земле , то, как виды приспосабливаются к окружающей среде, и многие другие закономерности, наблюдаемые в мире природы; ^{[58] [59]} 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 везде, где это возможно. Часто это 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 предвзятости подтверждения ; это эвристика, которая заставляет человека с определенным убеждением рассматривать вещи как подкрепляющие его убеждения, даже если другой наблюдатель может с этим 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. ^[60]

Еще одна важная человеческая предвзятость, которая играет роль, - это предпочтение новых, неожиданных утверждений (см. Призыв к новизне ), что может привести к поиску доказательств того, что новое истинно. ^[61] Плохо подтвержденным убеждениям можно верить и действовать с помощью менее строгой эвристики. ^[62]

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». ^[57] Когда повествование построено, его элементам становится легче поверить. ^[63] Подробнее об ошибочности 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. ^[64]

Элементы научного метода

Есть разные способы обрисовать в общих чертах основной метод, используемый для научного исследования. Научное сообщество и философы науки в целом согласны на следующей классификации компонентов метода. Эти методологические элементы и организация процедур обычно более характерны для естественных наук, чем для социальных наук . Тем не менее, цикл формулирования гипотез, проверки и анализа результатов и формулирования новых гипотез будет напоминать цикл, описанный ниже.

Научный метод - это итеративный, циклический процесс, посредством которого информация постоянно обновляется. ^{[65] [66]} Общепризнанно, что развитие знаний достигается за счет следующих элементов, в различных комбинациях или вкладах: ^{[67] [68]}

• 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 образовательной системе как «научный метод». ^[69]

Научный метод - это не единственный рецепт: он требует ума, воображения и творчества. ^[70] В этом смысле это не бессмысленный набор стандартов и процедур, которым необходимо следовать, а, скорее, непрерывный цикл , в котором постоянно разрабатываются все более полезные, точные и всеобъемлющие модели и методы. Например, когда Эйнштейн развивал 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: ^[71]

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. Анализировать 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 ^[72], ряд философов, историков и социологов науки, в том числе Пол Фейерабенд , утверждают, 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 подходящих свойств предметов тщательное размышление может также повлечь за собой некоторые определения и наблюдения; что наблюдения часто требуют тщательного измерения и / или подсчета голосов.

Систематический, 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 с ними производятся 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 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) ^[73]

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 используемых отдельных исходных 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, может быть оперативно определен в терминах массы 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, в обычном дискурсе значения массы и веса совпадают, но в механике имеют разные значения . 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. ^[74] В исследовании сознания Криком он обнаружил, что на самом деле легче изучать осознание в зрительной системе , чем , например, изучать свободу воли . Его поучительным примером был ген; ген был гораздо менее изучен 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 ). ^[40] Но механизм хранения генетической информации (то есть 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 ключи, кропотливо собранные на протяжении десятилетий, начиная с химического состава, было определено, что должна быть возможность охарактеризовать физическую структуру ДНК, и рентгеновские изображения будут средством. ^[75] .. 2. ДНК-гипотезы.

Другой пример: прецессия Меркурия.

Элемент характеристики может потребовать длительного и всестороннего изучения, даже столетия. Чтобы полностью зафиксировать 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. Наблюдаемое различие прецессии Меркурия между теорией Ньютона и наблюдениями было одной из вещей, которые пришли 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 свободно 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». ^[77] 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, которые заявляли 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 ^[78]

Успех гипотезы или ее служение науке заключается не просто в ее воспринимаемой «истине» или способности вытеснить, включить или уменьшить предыдущую 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 предвзятость подтверждения, возникающую в результате принятия единственной гипотезы, строгий вывод подчеркивает необходимость использования нескольких альтернативных гипотез. ^[79]

ДНК-гипотезы

Линус Полинг предположил, что ДНК может быть тройной спиралью . ^[80] Эта гипотеза также была 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 ^[81] 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 в строгом смысле останется 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 выдвинули гипотезу о спиральной структуре ДНК. Это означало, что картина дифракции рентгеновских лучей ДНК будет иметь «x-образную форму». ^{[43] [82]} Это предсказание последовало из работы Кокрана, Крика и Ванда ^[44] (и независимо от Стокса). Теорема Кохрана-Крика-Ванда-Стокса дала математическое объяснение эмпирическому наблюдению, согласно которому дифракция на спиральных структурах порождает x-образные узоры.

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 ». ^[83] ..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 . ^[84]

Эксперименты

После того, как прогнозы сделаны, их можно искать путем экспериментов. Если результаты теста противоречат предсказаниям, гипотезы, которые их повлекли за собой, 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 по-прежнему подлежат дальнейшему тестированию. Экспериментальный контрольэто метод работы с ошибками наблюдения. Этот метод использует контраст между несколькими образцами (или наблюдениями) в разных условиях, чтобы увидеть, что меняется, а что остается неизменным. Мы меняем условия для каждого измерения, чтобы помочь определить, что изменилось. Каноны Милля могут помочь нам понять, в чем состоит важный фактор. ^[85] Факторный анализ - это один из методов выявления 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 перелет 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 для помощи 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 работах 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. Н.э.), аль-Баттани (853–929) и Альхазен (965–1039). ^[86]

ДНК-эксперименты

Уотсон и Крик представили первоначальное (и неверное) 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 детальные рентгеновские дифракционные изображения Франклина, которые показали форму X ^[87], и смог подтвердить, что структура является спиральной. ^{[45] [46]} Это возродило модель здания Уотсона и Крика и привело к правильной конструкции. ..1. ДНК-характеристики

Оценка и улучшение

Научный метод итеративен. На любом этапе можно улучшить 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 предсказание, и 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, ^{[88] [89] [90]} Уотсон и Крик был в состоянии вывести существенную структуру ДНК с помощью конкретного моделирования физических форм этих нуклеотидов , которые составляют его. ^{[47] [91]} Они руководствовались длинами связей, которые были выведены Лайнусом Полингом и рентгеновскими дифракционными изображениями Розалинды Франклин . .. Пример ДНК

Подтверждение

Наука - это социальное предприятие, и научная работа обычно принимается научным сообществом, когда она подтверждается. Важно отметить, что экспериментальные и теоретические результаты должны воспроизводиться другими представителями 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 . ^[92]

Для защиты от неверных научных данных и мошенничества в государственных учреждениях, предоставляющих исследовательские гранты, 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 проверить данные и методы и опираться на предыдущие исследования. Архивирование научных данных может осуществляться в ряде национальных архивов США или в Мировом центре данных .

Модели научного исследования

Классическая модель

Классическая модель научного исследования происходит от Аристотеля ^[93], который различал формы приблизительного и точного рассуждения, 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 прогнозы соответствуют наблюдаемому миру, гипотеза может быть признана ложной.

Прагматическая модель

В 1877 году ^[22] 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. надежная вера, вера - это то, на основании чего человек 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. ^[94] Он изложил четыре метода урегулирования мнений в порядке от наименее к наиболее успешному:

1. Метод упорства (политика приверженности изначальной 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, преходящими. ^[95]
2. Метод авторитета, 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 априорного, 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 кругами 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, 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 ^[96], 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. ^[97] Научный метод превосходит другие, поскольку он намеренно разработан, чтобы прийти - в конечном итоге - к наиболее надежным убеждениям, на которых могут быть основаны наиболее успешные практики. Исходя из того, что люди ищут не истину как таковуюно вместо того, чтобы подавить раздражающее, сдерживающее сомнение, Пирс показал, как через борьбу некоторые могут прийти к согласию с истиной ради целостности веры, искать как истину руководство потенциальной практики для правильного достижения поставленной цели и вступить в брак с этой истиной. научный метод. ^{[22] [25]}

Для Пирса рациональное исследование предполагает допущения 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 (такого, что спрашивать означало бы опросить 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. ^[98]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 по мере необходимости), так и способного к определенному увеличению знаний. ^[99] Как вывод, «логика коренится в социальном принципе», поскольку она зависит от точки зрения, которая, в некотором смысле,безлимитный.^[100]

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» ^[4], за исключением того, что иначе указано):

1. Похищение (или возвращение). Гадание, вывод объяснительных гипотез для выбора тех, которые лучше всего стоит попробовать. От похищения Пирс отличает индукцию как вывод на основе тестов о доле истины 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 расследования, которое уже проводится). Все объяснительное содержание теорий исходит от 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, рожден настроением на природу благодаря развитым или врожденным инстинктам.особенно постольку, поскольку наилучшие предположения 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 с участием нескольких поколений) в поисках новых истин. ^[101] Координационный метод ведет от выдвижения правдоподобной гипотезы к оценке ее на предмет ее проверяемости ^[102] и того, как ее испытание могло бы сэкономить само исследование. ^[103] Пирс называет свой прагматизм «логикой похищения». ^[104] Его прагматическая максимаэто: «Подумайте, какие эффекты, которые, по вашему мнению, могут иметь практическое значение, должны иметь объекты вашей концепции. Тогда ваша концепция этих эффектов составляет всю вашу концепцию объекта». ^[98]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, способствующий формированию 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 можно выбирать для испытания стратегически, из-за их осторожности (для чего Пирс привел в качестве примера игру « Двадцать вопросов» ), широты и сложности . ^[105] Можно надеяться открыть только то, что в любом случае покажет время через достаточный опыт учащегося, поэтому цель состоит в том, чтобы ускорить это; экономика исследования - вот что требует, так сказать, скачка похищения и управляет его искусством. ^[103]
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 (предполагаемого рассуждениями в целом ^[98] ), что реальное является лишь объектом окончательного мнения, к которому приведет адекватное исследование; ^[106] все, к чему не приведет ни один подобный процесс, было бы ненастоящим. Индукция, включающая в себя постоянные испытания или наблюдения, следует методу, который, при достаточной настойчивости, уменьшит ее 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 соотношения качеств или характеров; ^[107] если количественный, то зависит от измерений, статистики или подсчета.
   3. Предсказательная индукция. «... который с помощью индуктивных рассуждений оценивает разные испытания по отдельности, затем их комбинации, затем производит самооценку самих этих оценок и выносит окончательное суждение по всему результату».

Инвариантное объяснение

В своем выступлении на TED 2009 года Дойч изложил критерий научного объяснения, который заключается в формулировании инвариантов: «Изложите объяснение [публично, чтобы его можно было датировать и проверить позже другими], которое остается неизменным [перед лицом очевидных изменений, новая информация или неожиданные условия] ". ^[108]

«Плохое объяснение легко изменить». ^{[108] : минута 11:22}

«Поиск трудноразличимых объяснений - источник всего прогресса» ^{[108] : минута 15:05}

«То, что истина состоит из трудноразличимых утверждений о реальности, является наиболее важным фактом о физическом мире». ^{[108] : минута 16:15}

Инвариантность как фундаментальный аспект научного объяснения реальности долгое время была частью философии науки: например, в книге Фриделя Вайнерта « Ученый как философ» (2004) отмечалось присутствие этой темы во многих произведениях, начиная с начала 20-го века. , такие как работы Анри Пуанкаре (1902), Эрнста Кассирера (1920), Макса Борна (1949 и 1953), Поля Дирака (1958), Оливье Коста де Борегар (1966), Юджина Вигнера (1967), Лоуренса Склара (1974) , Майкл Фридман (1983), Джон Д. Нортон (1992), Николас Максвелл (1993),Алан Кук (1994), Алистер Кэмерон Кромби (1994), Маргарет Моррисон (1995), Ричард Фейнман (1997), Роберт Нозик (2001) и Тим Модлин (2002). ^[109]

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; ^[110] Мюррей Гелл-Манн связывает эти темы с передачей сообщений . ^[111]

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 рассматриваться как противоречащие научному методу. ^[112]

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 представляются редакторами научных журналов (обычно от одного до трех и обычно анонимно) коллегам-ученым, знакомым 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 рекомендовать или не 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, выходящих за рамки традиционной научной парадигмы: проблемы "групповое мышление «может помешать открытому и справедливому обсуждению некоторых новых исследований. ^[113]

Документация и тиражирование

Иногда экспериментаторы могут допускать 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

Исследователи иногда 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 исследовать 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 поделиться данными , можно подать апелляцию к редакторам журнала, опубликовавшим исследование, или к учреждению, 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 нерелевантная функция. Например, Генрих Герц не сообщил о размере комнаты, использованной для проверки уравнений Максвелла, что, как позже выяснилось, объясняло небольшое отклонение в результатах. Проблема в том, что некоторые части самой 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. ^[114] 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. Хансон (1958) впервые ввел термин для обозначения идеи, 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. ^[115] Он открывает главу 1 с обсуждения тел Гольджи и их первоначального отказа как артефакта техники окрашивания, а также с обсуждения Браге и Кеплера, наблюдающих рассвет и наблюдающих восход «другого» солнца, несмотря на то же физиологическое явление. Kuhn^[116] и Фейерабенд ^[117] признают новаторское значение его работы.

Кун (1961) сказал, что ученый обычно имеет в виду теорию, прежде чем проектировать и проводить эксперименты, чтобы делать эмпирические наблюдения, и что «путь от теории к измерению почти никогда не может быть пройден в обратном направлении». Это означает, что способ проверки теории продиктован природой самой теории, что побудило Кун (1961, стр. 166) утверждать, что «если она принята профессией ... быть проверенным любыми количественными тестами, которые он еще не прошел ". ^[118]

Постмодернизм и научные войны

Пол Фейерабенд аналогичным образом исследовал историю науки и был вынужден отрицать, что наука - это действительно методологический процесс. 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 действенное правило, шутливо предлагает Фейерабенд, это должно быть «все идет». ^[119] 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 конфликта 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 были написаны учеными, которые рассматривают эту проблему и оспаривают утверждения постмодернистов, защищая науку как законный метод получения истины. ^[120]

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. ^[121]

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. ^[122] 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 склонны использовать случайности и неожиданности. ^{[122] [123]} 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 противостоит хрупкости). Талеб считает, что чем более уязвима система, тем больше она будет процветать в реальном мире. ^[26]

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 совпадением. Таким образом, строго контролируемые, осторожные и любопытные аспекты научного метода делают его хорошо подходящим для выявления таких систематических систематических ошибок. На этом этапе исследователь начинает придумывать теоретические объяснения ошибки, часто обращаясь за помощью к коллегам из разных областей знаний. ^{[122] [123]}

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 предложенных шагов. Наука похожа на математику в том смысле, что исследователи обеих дисциплин пытаются отличить известное от неизвестного на каждом этапе открытия. 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. ^[124]

Математическая работа и научная работа могут вдохновлять друг друга. ^[125] Например, техническая концепция времени возникла 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 очень хорошо известный отчет физика, лауреата Нобелевской премии. Фактически, некоторые наблюдатели (включая некоторых известных математиков, таких как Грегори Чейтин , и других, таких как Лакофф и Нуньес ) предположили, что математика является результатом предвзятости практиков и человеческих ограничений (в том числе культурных), что-то вроде постмодернистского взгляд на науку.

Работа Джорджа Полиа по решению проблем , ^[126] построение математических доказательств и эвристика ^{[127] [128]} показывают, что математический метод и научный метод различаются в деталях, но, тем не менее, похожи друг на друга в использовании итеративных или рекурсивных шагов. .

По мнению Полиа, понимание включает в себя 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 , ^[129] 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 ^[130] доказательства; Обзор включает в себя пересмотр и повторное рассмотрение результата и пути к нему.

Гаусс , когда его спросили, как он пришел к своим теоремам , однажды ответил: «durch planmässiges Tattonieren» (посредством систематических ощутимых экспериментов ). ^[131]

Имре Лакатос утверждал, что математики на самом деле используют противоречие, критику и пересмотр как принципы для улучшения своей работы. ^[132] 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.пока не найдено. Как только контрпример, то есть объект, противоречащий / не объясняемый теоремой, найден, мы корректируем теорему, возможно, расширяя область ее действия. Это непрерывный способ накопления наших знаний посредством логики и процесса доказательств и опровержений. (Если Аксиомы приведены для отрасли математики, однако, Лакатос утверждал , что доказательства из этих аксиом были тавтологическими , т.е. логически верно , путем перезаписи их, как это сделали Пуанкар ( корректуры и опровержения , 1976).)

Лакатос предложил описание математических знаний, основанное на идее Пойи об эвристике . В книге «Доказательства и опровержения» Лакатос дал несколько основных правил поиска доказательств и контрпримеров к гипотезам. Он считал, что математические « мысленные эксперименты » - действенный способ обнаружить математические предположения и доказательства. ^[133]

Связь со статистикой

Когда научный метод использует статистику как часть своего арсенала, возникают математические и практические проблемы, которые могут иметь 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 . ^[134] Многие исследования в области метанауки направлены на выявление плохого использования статистики и улучшение ее использования.

Особые поднятые 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 экономичными (« 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 правдой ».) Следовательно:« Большинство результатов исследований неверны для большинства исследовательских проектов и для большинства областей »и« Как показано,Большинство современных биомедицинских исследований проводится в областях с очень низкой вероятностью получения истинных результатов до и после исследования ». Однако:« Тем не менее, «большинство новых открытий по-прежнему будут исходить 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 больше всего новых открытий.Это означает, что * новые * открытия будут происходить в результате 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 в результате 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

Заметки

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

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 в Индиане
• Введение в науку: научное мышление и научный метод Стивена Д. Шаферсмана.
• Введение в научный метод в Рочестерском университете
• Теоретическая нагрузка от Пола Ньюолла из Галилейской библиотеки
• Лекция Грега Андерсона по научному методу
• Использование научных методов при разработке проектов для научных ярмарок
• 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
• «Как мы узнаем, что правда?» (анимационный ролик; 2:52)