Научный метод — эмпирический метод приобретения знаний , характеризующий развитие науки , по крайней мере, с 17 века. (Информацию о выдающихся практиках предыдущих столетий см. В истории научного метода .)
Научный метод предполагает тщательное наблюдение в сочетании со строгим скептицизмом , поскольку когнитивные предположения могут исказить интерпретацию наблюдения . Научное исследование включает в себя создание гипотезы посредством индуктивного рассуждения , ее проверку посредством экспериментов и статистического анализа, а также корректировку или отказ от гипотезы на основе результатов.
Вышеупомянутое — это принципы научного метода, определённая серия шагов, применимая ко всем научным предприятиям. [1] [2] [3]
Хотя процедуры варьируются от одной области исследования к другой, основной процесс часто один и тот же. Процесс научного метода включает в себя выдвижение гипотез (гипотетических объяснений), выведение предсказаний из гипотез как логических следствий, а затем проведение экспериментов или эмпирических наблюдений, основанных на этих предсказаниях. [a] [4] Гипотеза – это предположение, основанное на знаниях, полученных при поиске ответа на вопрос. Гипотеза может быть очень конкретной или широкой. Затем ученые проверяют гипотезы, проводя эксперименты или исследования. Научная гипотеза должна быть фальсифицируемой , подразумевая, что возможно определить возможный результат эксперимента или наблюдения, который противоречит предсказаниям, выведенным из гипотезы; в противном случае гипотеза не может быть значимо проверена. [5]
Цель эксперимента — определить, согласуются ли наблюдения [А] [а] [б] с гипотезой. [6] [б]
Хотя научный метод часто представляют как фиксированную последовательность шагов, он представляет собой скорее набор общих принципов. [7] Не все этапы происходят в каждом научном исследовании (и не в одинаковой степени) и не всегда в одном и том же порядке. [8] [9]
Важные дебаты в истории науки касаются скептицизма в отношении того, что что-либо может быть известно наверняка (например, взгляды Франсиско Санчеса ), рационализма (особенно, которого отстаивал Рене Декарт ), индуктивизма , эмпиризма (как утверждал Фрэнсис Бэкон , тогда поднимавшийся до частных известность с Робертом Гуком , [10] [11] Исааком Ньютоном и его последователями), а также гипотетико-дедуктивизм , который вышел на первый план в начале 19 века.
Термин «научный метод» возник в XIX веке, в результате значительного институционального развития науки, появились термины, установившие четкие границы между наукой и ненаукой, такие как «ученый» и «лженаука». [12] На протяжении 1830-х и 1850-х годов, когда бэконианство было популярно, натуралисты, такие как Уильям Уэвелл, Джон Гершель, Джон Стюарт Милль, участвовали в дебатах по поводу «индукции» и «фактов» и были сосредоточены на том, как генерировать знания. [12] В конце 19-го и начале 20-го веков дебаты о реализме и антиреализме велись, когда мощные научные теории выходили за рамки наблюдаемого. [13]
Термин «научный метод» стал широко использоваться в двадцатом веке; Книга Дьюи 1910 года «Как мы думаем » вдохновила популярные рекомендации, [14] появившиеся в словарях и учебниках по естественным наукам, хотя относительно ее значения не было единого мнения. [12] Хотя в середине двадцатого века наблюдался рост, к 1960-м и 1970-м годам многочисленные влиятельные философы науки, такие как Томас Кун и Пол Фейерабенд, поставили под сомнение универсальность «научного метода» и при этом в значительной степени заменили понятие науки как однородного и универсального метода, а также как гетерогенной и локальной практики. [12] В частности,Пол Фейерабенд в первом издании своей книги «Против метода» в 1975 году выступал против существования каких-либо универсальных правил науки ; [13] Popper 1963, [15] Gauch 2003, [7] и Tow 2010 [16] не согласны с утверждением Фейерабенда; лица, решающие проблемы , и исследователи должны разумно использовать свои ресурсы во время своих исследований. [До н.э ]
Более поздние позиции включают эссе физика Ли Смолина 2013 года «Нет научного метода» [24] , в котором он поддерживает два этических принципа, [e] и главу историка науки Дэниела Терса в книге 2015 года « Яблоко Ньютона и другие мифы о Наука , пришедшая к выводу, что научный метод — это миф или, в лучшем случае, идеализация. [25] Поскольку мифы — это убеждения, [26] они подвержены нарративной ошибке , как указывает Талеб. [27] Философы Роберт Нола и Говард Сэнки в своей книге « Теории научного метода» 2007 года заявили, что дебаты по поводу научного метода продолжаются, и утверждали, что Фейерабенд, несмотря на название « Против метода» , принял определенные правила метода и попытался обосновать их. правила с метаметодологией. [28] Стаддон (2017) утверждает, что пытаться следовать правилам в отсутствие алгоритмического научного метода — ошибка; в этом случае «науку лучше всего понимать на примерах». [f] Но алгоритмические методы, такие как опровержение существующей теории экспериментальным путем, использовались со времен Альхасена (1027 г.) «Книга оптики » [b] и Галилея (1638 г.) «Две новые науки » [30] и «Пробирщик » [31] до сих пор остаются в силе. как научный метод. Они противоречат позиции Фейерабенда. [CD ]
Повсеместным элементом научного метода является эмпиризм . Это противоречит строгим формам рационализма : научный метод воплощает позицию, согласно которой разум сам по себе не может решить конкретную научную проблему. Сильная формулировка научного метода не всегда соответствует форме 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 возражает против утверждения, что откровение , политические или религиозные догмы , обращение к традициям, общепринятым убеждениям, здравому смыслу или общепринятым теориям представляют собой единственно возможные средства демонстрации истины. [35] [17] [16]
Различные ранние проявления эмпиризма и научного метода можно найти на протяжении всей истории, например, у древних стоиков , Эпикура , [36] Альхазена , [Е] Авиценны , Аль-Бируни , [38] [39] Роджера Бэкона и Уильяма Оккам . Начиная с 16 века, эксперименты пропагандировал Фрэнсис Бэкон и проводил Джамбаттиста делла Порта , [40] Иоганн Кеплер , [41] [i] и Галилео Галилей . [j] Особое развитие получили теоретические работы Франсиско Санчеса , [42] Джона Локка , Джорджа Беркли и Дэвида Юма .
Морское путешествие из Америки в Европу предоставило К.С. Пирсу возможность прояснить свои идеи, [F] постепенно приведя к гипотетико-дедуктивной модели . [43] Сформулированная в 20 веке модель претерпела значительные изменения с момента своего первого предложения (более формальное обсуждение см. в § Элементы научного метода).
Научный метод – это процесс, посредством которого осуществляется наука . [44] Как и в других областях исследований, наука (посредством научного метода) может опираться на предыдущие знания и со временем унифицировать понимание тем исследования. [k] Эту модель можно рассматривать как основу научной революции . [46]
Общий процесс включает в себя выдвижение предположений ( гипотез ), выведение из них предсказаний как логических следствий, а затем проведение экспериментов на основе этих предсказаний, чтобы определить, была ли исходная гипотеза верной. [4] Однако существуют трудности с формулировкой метода. Хотя научный метод часто представляют как фиксированную последовательность шагов, эти действия лучше рассматривать как общие принципы. [8] Не все этапы происходят в каждом научном исследовании (и не в одинаковой степени), и они не всегда выполняются в одном и том же порядке. Как заметил учёный и философ Уильям Уэвелл (1794–1866), «изобретательность, проницательность и гениальность» [9] требуются на каждом этапе.
Существуют разные способы описания основного метода, используемого в научных исследованиях. Научное сообщество и философы науки в целом согласны со следующей классификацией компонентов метода. Эти методологические элементы и организация процедур, как правило, более характерны для экспериментальных 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 пересматривается. [47] [48] Общепризнано, что развитие знаний достигается за счет следующих элементов в различных комбинациях или вкладах: [49] [50]
Каждый элемент научного метода подлежит экспертной оценке на предмет возможных ошибок. Эта деятельность не описывает всего, чем занимаются ученые, а применяется в основном к экспериментальным наукам (например, физике, химии, биологии и психологии). Вышеуказанные элементы часто преподаются в системе образования как «научный метод». [А]
Научный метод — это не единый рецепт: он требует интеллекта, воображения и творчества. [51] В этом смысле это не бессмысленный набор стандартов и процедур, которым нужно следовать, а скорее непрерывный цикл, в котором постоянно разрабатываются более полезные, точные и всеобъемлющие модели и методы. Например, когда Эйнштейн разработал специальную и общую теории относительности, он никоим образом не опроверг и не обесценил « Начала» Ньютона . Напротив, если из теорий Эйнштейна убрать астрономически массивные, сверхлегкие и сверхбыстрые объекты (все явления, которые Ньютон не мог наблюдать), то останутся уравнения Ньютона. Теории Эйнштейна являются расширением и уточнением теорий Ньютона и, таким образом, повышают доверие к работам Ньютона.
Итеративная, [48] прагматичная [35] схема из четырех вышеперечисленных пунктов иногда предлагается в качестве руководства для дальнейших действий: [52]
Итерационный цикл, присущий этому пошаговому методу, идет от точки 3 к точке 6 и снова обратно к точке 3.
Хотя эта схема описывает типичный метод проверки гипотезы/проверки, [53] многие философы, историки и социологи науки, включая Пола Фейерабенда , [1] утверждают, что такие описания научного метода имеют мало отношения к тому, как на самом деле практикуется наука.
Основные элементы научного метода иллюстрируются следующим примером (произошедшим с 1944 по 1953 год) из открытия структуры ДНК (отмечено значком 
и отступом).
В 1950 году, начиная с исследований Грегора Менделя , стало известно, что генетическая наследственность имеет математическое описание, и что ДНК содержит генетическую информацию ( принцип преобразования Освальда Эйвери ). [55] Но механизм хранения генетической информации (т.е. генов) в ДНК был неясен. Исследователи лаборатории Брэгга в Кембриджском университете сделали рентгеновские дифракционные снимки различных молекул , начиная с кристаллов соли и переходя к более сложным веществам. Используя данные, кропотливо собиравшиеся на протяжении десятилетий, начиная с химического состава, было установлено, что можно охарактеризовать физическую структуру ДНК, а рентгеновские изображения станут средством ее изучения. [56]
Научный метод зависит от все более сложных характеристик объектов исследования. ( Предметы также можно назвать нерешенными проблемами или неизвестными .) [A] Например, Бенджамин Франклин правильно предположил, что огонь Святого Эльма имел электрическую природу , но потребовалась долгая серия экспериментов и теоретических изменений, чтобы установить этот. При поиске соответствующих свойств предметов тщательное размышление может также повлечь за собой некоторые определения и наблюдения; наблюдения часто требуют тщательных измерений и / или подсчетов.
Вопрос может относиться к объяснению конкретного наблюдения , [A] , например: «Почему небо голубое?» но также может быть открытым, например: «Как я могу разработать лекарство для лечения этой конкретной болезни?» Этот этап часто включает поиск и оценку данных 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 определить хороший вопрос может быть очень сложно, и это повлияет на результат расследования. [57]
Систематический, тщательный сбор измерений или подсчетов соответствующих величин часто является решающим различием между псевдонауками , такими как алхимия, и наукой, такой как химия или биология. Научные измерения обычно представляются в виде таблиц, графиков или карт, и над ними выполняются статистические манипуляции, такие как корреляция и регрессия . Измерения могут проводиться в контролируемых условиях, например, в лаборатории, или на более или менее недоступных или не поддающихся манипулированию объектах, таких как звезды или человеческое население. Для измерений часто требуются специализированные научные инструменты, такие как термометры , спектроскопы , ускорители частиц или вольтметры , и прогресс научной области обычно тесно связан с их изобретением и усовершенствованием.
Элемент характеристики может потребовать длительного и обширного изучения, вплоть до столетий. Потребовались тысячи лет измерений халдейских , индийских , персидских , греческих , арабских и европейских астрономов , чтобы полностью зарегистрировать движение планеты Земля . Ньютон смог включить эти измерения в выводы своих законов движения . Но перигелий орбиты планеты Меркурий демонстрирует прецессию, которую нельзя полностью объяснить законами движения Ньютона (см. диаграмму справа), как указал Леверье в 1859 году. Наблюдаемая разница в прецессии Меркурия между теорией Ньютона и наблюдениями составляла одна из вещей, которая пришла в голову Альберту Эйнштейну как возможная ранняя проверка его общей теории относительности . Его релятивистские расчеты гораздо лучше соответствовали наблюдениям, чем теория Ньютона. Разница составляет примерно 43 угловых секунды за столетие.
Я не привык говорить что-либо с уверенностью после одного-двух наблюдений.
- Андреас Везалий , (1546) [59]
Измерения в научной работе также обычно сопровождаются оценками их неопределенности . [60] Неопределенность часто оценивается путем повторных измерений желаемой величины. Неопределенности также могут быть рассчитаны путем рассмотрения неопределенностей отдельных используемых базовых величин. Подсчеты таких вещей, как количество людей в стране в определенное время, также могут иметь неопределенность из-за ограничений сбора данных . Или подсчеты могут представлять выборку желаемых количеств с неопределенностью, которая зависит от используемого метода отбора проб и количества взятых проб.
Научное определение термина иногда существенно отличается от его использования в естественном языке . Например, масса и вес совпадают по значению в обычном дискурсе, но имеют разные значения в механике . Научные величины часто характеризуются своими единицами измерения , которые позже можно описать в терминах обычных физических единиц при передаче работы.
Новые теории иногда разрабатываются после того, как становится ясно, что некоторые 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 , заявившим: «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 Крик предупреждает нас, что при характеристике предмета, однако, может быть преждевременно давать определение чему-либо, если он остается плохо понятым. [61] В исследовании сознания Криком он на самом деле обнаружил, что легче изучать осознанность в зрительной системе , чем , например, изучать свободу воли . Его предостерегающим примером был ген; этот ген был гораздо хуже изучен до новаторского открытия Уотсоном и Криком структуры ДНК; было бы контрпродуктивно тратить много времени на определение гена до них.
Гипотеза — это предполагаемое объяснение явления или, альтернативно, обоснованное предложение, предполагающее возможную корреляцию между набором явлений или между ними .
Обычно гипотезы имеют форму математической модели . Иногда, но не всегда, их можно также сформулировать как экзистенциальные высказывания , утверждающие, что какой-то конкретный случай изучаемого явления имеет некоторые характерные и причинные объяснения, имеющие общую форму универсальных высказываний , утверждающие, что каждый экземпляр явления имеет особая характеристика.
Ученые вольны использовать любые имеющиеся у них ресурсы — собственное творчество, идеи из других областей, индуктивные рассуждения , байесовские выводы и т. д. — чтобы представить возможные объяснения изучаемого явления.Альберт Эйнштейн однажды заметил, что «не существует логического моста между явлениями и их теоретическими принципами». [65] [м] Чарльз Сандерс Пирс , заимствовав страницу у Аристотеля ( Prior Analytics , 2.25 ) [67] описал зарождающиеся стадии исследования , спровоцированные «раздражением сомнения», чтобы отважиться на правдоподобное предположение, как абдуктивное рассуждение . [32] : II, с.290 История науки наполнена рассказами ученых, заявлявших о «вспышке вдохновения», или догадке, которая затем побудила их искать доказательства, подтверждающие или опровергающие их идею. Майкл Поланьи сделал такое творчество центральным элементом своего обсуждения методологии.
Уильям Глен отмечает, что [68]
Успех гипотезы или ее служение науке заключается не просто в ее воспринимаемой «истине» или способности вытеснить, поглотить или уменьшить предыдущую идею, но, возможно, больше в ее способности стимулировать исследования, которые прольют свет... смелые предположения и области неясности.
- Уильям Глен, Дебаты о массовом вымирании
В целом ученые склонны искать « элегантные » или « красивые » теории. Ученые часто используют эти термины для обозначения теории, которая следует известным фактам, но, тем не менее, относительно проста и легка в использовании. Бритва Оккама служит эмпирическим правилом для выбора наиболее желательной среди группы одинаково объяснительных гипотез.
Чтобы свести к минимуму предвзятость подтверждения , возникающую в результате рассмотрения одной гипотезы, сильный вывод подчеркивает необходимость принятия нескольких альтернативных гипотез. [69]
Любая полезная гипотеза позволит делать прогнозы посредством рассуждений , включая дедуктивные рассуждения . [n] Он может предсказать результат эксперимента в лабораторных условиях или наблюдения явления в природе. Прогноз также может быть статистическим и иметь дело только с вероятностями.
Важно, чтобы результат проверки такого прогноза в настоящее время был неизвестен. Только в этом случае успешный результат увеличивает вероятность того, что гипотеза верна. Если результат уже известен, он называется следствием и уже должен был быть учтен при формулировании гипотезы.
Если предсказания недоступны наблюдению или опыту, гипотеза еще не поддается проверке и поэтому в строгом смысле слова останется ненаучной. Новая технология или теория могут сделать необходимые эксперименты возможными. Например, хотя гипотеза о существовании других разумных видов может быть убедительной при научно обоснованных предположениях, ни один известный эксперимент не может проверить эту гипотезу. Поэтому сама наука мало что может сказать о такой возможности. В будущем новая техника может позволить провести экспериментальную проверку, и тогда это предположение станет частью общепринятой науки.
Например, общая теория относительности Эйнштейна делает несколько конкретных предсказаний относительно наблюдаемой структуры пространства-времени , например, что свет искривляется в гравитационном поле и что величина искривления точным образом зависит от силы этого гравитационного поля. Наблюдения Артура Эддингтона , сделанные во время солнечного затмения 1919 года, подтвердили общую теорию относительности, а не ньютоновскую гравитацию . [74]
Как только предсказания сделаны, их можно искать с помощью экспериментов. Если результаты испытаний противоречат предсказаниям, лежащие в их основе гипотезы подвергаются сомнению и становятся менее обоснованными. Иногда эксперименты проводятся неправильно или не очень хорошо спланированы по сравнению с решающим экспериментом . Если результаты экспериментов подтверждают предсказания, то гипотезы с большей вероятностью считаются правильными, но могут все же оказаться неверными и подлежат дальнейшей проверке. Экспериментальный контроль – это метод борьбы с ошибкой наблюдения. Этот метод использует контраст между несколькими выборками, наблюдениями или популяциями в разных условиях, чтобы увидеть, что меняется, а что остается неизменным. Мы варьируем условия измерений, чтобы помочь выявить то, что изменилось. Тогда каноны Милля могут помочь нам понять, какой фактор является важным. [77] 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.
Таким образом, эти учреждения сводят исследовательскую функцию к затратам/выгодам, [60] которые выражаются в деньгах, а также во времени и внимании исследователей, которые они затрачивают, [60] в обмен на отчет перед своими участниками. [78] Современные крупные инструменты, такие как Большой адронный коллайдер (LHC) ЦЕРН, [79] или LIGO , [80] или Национальная установка зажигания (NIF), [81] или Международная космическая станция (МКС), [82] или космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), [83] [84] влекут за собой ожидаемые затраты в миллиарды долларов и сроки, растянувшиеся на десятилетия. Подобные институты влияют на государственную политику на национальном или даже международном уровне, и исследователям потребуется общий доступ к таким машинам и сопутствующей инфраструктуре. [о] [85]
Ученые предполагают открытость и подотчетность со стороны экспериментаторов. Подробное ведение записей имеет важное значение для облегчения регистрации и отчетности о результатах эксперимента, а также для поддержки эффективности и целостности процедуры. Они также помогут воспроизвести результаты экспериментов, вероятно, другими. Следы такого подхода можно увидеть в работах Гиппарха (190–120 гг. до н.э.) при определении величины прецессии Земли, а контролируемые эксперименты можно увидеть в работах аль-Баттани (853–929 гг. н.э.) [ 86] и Альхазен (965–1039 гг. н.э.). [87] [п] [д] [г]
Научный метод является итеративным. На любом этапе можно повысить 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 переопределит рассматриваемый предмет. Неспособность гипотезы дать 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 объекта.
К 1027 году Альхазен на основе своих измерений преломления света смог сделать вывод, что космическое пространство менее плотно, чем воздух , то есть: «небесное тело более редкое, чем тело воздуха». [34] В 1079 году Ибн Муаз в « Трактате о сумерках» смог сделать вывод, что толщина атмосферы Земли составляет 50 миль, на основании атмосферного преломления солнечных лучей. [р]
Другие учёные могут начать собственные исследования и включиться в процесс на любой стадии. Они могут принять характеристику и сформулировать свою собственную гипотезу или могут принять гипотезу и сделать свои собственные предсказания. Часто эксперимент проводится не человеком, сделавшим предсказание, а характеристика основана на экспериментах, проведенных кем-то другим. Опубликованные результаты экспериментов также могут служить гипотезой, предсказывающей их собственную воспроизводимость.
Наука – это социальное предприятие, и научная работа, как правило, принимается научным сообществом, если она подтверждена. Крайне важно, что экспериментальные и теоретические результаты должны воспроизводиться другими членами научного сообщества. Исследователи отдали свои жизни за эту идею; Георг Вильгельм Рихманн был убит шаровой молнией (1753 г.) при попытке повторить эксперимент Бенджамина Франклина с запуском воздушного змея в 1752 г. [96]
Если эксперимент не может быть повторен для получения тех же результатов, это означает, что первоначальные результаты могли быть ошибочными. В результате один эксперимент обычно проводится несколько раз, особенно когда имеются неконтролируемые переменные или другие признаки экспериментальной ошибки . Для получения значительных или неожиданных результатов другие ученые также могут попытаться воспроизвести эти результаты самостоятельно, особенно если эти результаты будут важны для их собственной работы. [97] Репликация стала спорным вопросом в социальной и биомедицинской науке, где лечение проводится группам людей. Обычно экспериментальная группа получает лечение, например лекарство, а контрольная группа — плацебо. Джон Иоаннидис в 2005 году отметил, что используемый метод привел ко многим открытиям, которые невозможно воспроизвести. [98]
Процесс рецензирования включает оценку эксперимента экспертами, которые обычно высказывают свое мнение анонимно. Некоторые журналы просят экспериментатора предоставить списки возможных рецензентов, особенно если область узкоспециализирована. Рецензирование не подтверждает правильность результатов, а лишь то, что, по мнению рецензента, сами эксперименты были обоснованными (на основании описания, предоставленного экспериментатором). Если работа пройдет рецензирование, которое иногда может потребовать новых экспериментов по запросу рецензентов, она будет опубликована в рецензируемом научном журнале . Конкретный журнал, публикующий результаты, указывает на воспринимаемое качество работы. [с]
Ученые обычно осторожны при записи своих данных - требование, выдвинутое Людвиком Флеком (1896–1961) и другими. [99] Хотя обычно это не требуется, их могут попросить предоставить эти данные другим ученым, которые хотят воспроизвести их первоначальные результаты (или части их первоначальных результатов), включая обмен любыми экспериментальными образцами, которые может быть трудно получить. [100] Чтобы защититься от плохих научных данных и фальсифицированных данных, государственные агентства, предоставляющие гранты на исследования, такие как Национальный научный фонд , и научные журналы, включая Nature и Science , придерживаются политики, согласно которой исследователи должны архивировать свои данные и методы, чтобы другие исследователи могли их протестировать. данные и методы и основываться на ранее проведенных исследованиях. Архивирование научных данных может осуществляться в нескольких национальных архивах США или в Мировом центре данных .
Научное исследование обычно направлено на получение знаний в форме проверяемых объяснений [19] [18] , которые ученые могут использовать для прогнозирования результатов будущих экспериментов. Это позволяет ученым лучше понять изучаемую тему, а затем использовать это понимание для вмешательства в ее причинные механизмы (например, для лечения болезней). Чем лучше объяснение позволяет делать прогнозы, тем более полезным оно может быть зачастую и тем больше вероятность того, что оно продолжит объяснять совокупность фактов лучше, чем его альтернативы. Наиболее успешные объяснения – те, которые объясняют и делают точные предсказания в широком диапазоне обстоятельств – часто называют научными теориями . [А]
Большинство экспериментальных результатов не приводят к большим изменениям в человеческом понимании; Улучшения в теоретическом научном понимании обычно являются результатом постепенного процесса развития с течением времени, иногда в разных областях науки. [101] Научные модели различаются по степени и продолжительности экспериментальной проверки, а также по степени их принятия в научном сообществе. В общем, объяснения со временем принимаются по мере накопления доказательств по данной теме, и рассматриваемое объяснение оказывается более эффективным, чем его альтернативы, при объяснении доказательств. Часто последующие исследователи со временем переформулируют объяснения или комбинируют объяснения, чтобы создать новые объяснения.
Тоу рассматривает научный метод как эволюционный алгоритм , применяемый в науке и технике. [16]
Научное знание тесно связано с эмпирическими данными и может оставаться предметом фальсификации , если новые экспериментальные наблюдения несовместимы с тем, что обнаружено. То есть ни одна теория не может считаться окончательной, поскольку могут быть обнаружены новые сомнительные доказательства. Если такие доказательства найдены, может быть предложена новая теория или (что чаще) обнаруживается, что модификаций предыдущей теории достаточно, чтобы объяснить новые данные. Сила теории связана с тем, как долго она существовала без серьезных изменений своих основных принципов.
Теории также могут быть включены в состав других теорий. Например, законы Ньютона почти идеально объяснили тысячи лет научных наблюдений за планетами. Однако затем эти законы были определены как частные случаи более общей теории ( относительности ), которая объяснила как (ранее необъяснимые) исключения из законов Ньютона, так и предсказала и объяснила другие наблюдения, такие как отклонение света под действием гравитации . Таким образом, в определенных случаях независимые, несвязанные между собой научные наблюдения могут быть связаны, объединены принципами возрастающей объяснительной силы. [102] [103]
Поскольку новые теории могут быть более всеобъемлющими, чем те, что им предшествовали, и, таким образом, быть в состоянии объяснить больше, чем предыдущие, теории-преемники могут соответствовать более высоким стандартам, объясняя больший объем наблюдений, чем их предшественники. [102] Например, теория эволюции объясняет разнообразие жизни на Земле , то, как виды адаптируются к окружающей среде, и многие другие закономерности, наблюдаемые в мире природы; [104] [105] его последней крупной модификацией было объединение с генетикой для формирования современного эволюционного синтеза . В последующих модификациях он также включил в себя аспекты многих других областей, таких как биохимия и молекулярная биология . [16]
Научная методология часто требует, чтобы гипотезы проверялись в контролируемых условиях, где это возможно. Это часто возможно в определенных областях, например, в биологических науках, и более сложно в других областях, например, в астрономии.
Практика экспериментального контроля и воспроизводимости может привести к уменьшению потенциально вредного воздействия обстоятельств и, в некоторой степени, личной предвзятости. Например, ранее существовавшие убеждения могут изменить интерпретацию результатов, как в случае с предвзятостью подтверждения ; это эвристика , которая заставляет человека с определенным убеждением рассматривать вещи как подкрепляющие его убеждение, даже если другой наблюдатель может с этим не согласиться (другими словами, люди склонны наблюдать то, что они ожидают увидеть). [26]
[Действие мысли возбуждается раздражением сомнения и прекращается, когда достигается вера.
- К.С. Пирс , Как сделать наши идеи ясными (1877) [32]
Историческим примером является убеждение, что ноги скачущей лошади растопырены в тот момент, когда ни одна из ног лошади не касается земли, до такой степени, что это изображение было включено в картины его сторонниками. Однако первые покадровые кадры галопа лошади, сделанные Эдвардом Мейбриджем, показали, что это не так, и вместо этого ноги собраны вместе. [106]
Еще одна важная человеческая предвзятость, играющая определенную роль, — это предпочтение новых, неожиданных утверждений (см. Обращение к новизне ), что может привести к поиску доказательств того, что новое истинно. [107] В плохо подтвержденные убеждения можно поверить и действовать в соответствии с ними с помощью менее строгой эвристики. [108]
Гольдхабер и Ньето опубликовали в 2010 году наблюдение, что если теоретические структуры с «многими близко соседствующими предметами описываются посредством соединения теоретических концепций, то теоретическая структура приобретает устойчивость, из-за которой ее становится все труднее - хотя, конечно, никогда не невозможно - опрокинуть». [103] Когда повествование построено, в его элементы становится легче поверить. [109] [27]
Флек (1979), с. 27 примечания «Слова и идеи изначально являются фонетическими и психическими эквивалентами совпадающих с ними переживаний. ... Такие протоидеи сначала всегда слишком широки и недостаточно специализированы. сложилось множество подробностей и отношений, оно оказывает стойкое сопротивление всему, что ему противоречит». Иногда элементы этих отношений предполагаются априорно 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 измерений. [т]
Классическая модель научного исследования восходит к Аристотелю, [110] который различал формы приблизительного и точного рассуждения, излагал тройную схему абдуктивного , дедуктивного и индуктивного вывода , а также трактовал такие сложные формы, как рассуждение по аналогии .
Гипотетико -дедуктивная модель или метод представляет собой предлагаемое описание научного метода. Здесь предсказания гипотезы играют центральную роль: если предположить, что гипотеза верна, какие последствия последуют? Если последующее эмпирическое исследование не покажет, что эти следствия или предсказания соответствуют наблюдаемому миру, гипотезу можно признать ложной.
В 1877 году [49] Чарльз Сандерс Пирс (1839–1914) охарактеризовал исследование в целом не как поиск истины как таковой, а как борьбу за то, чтобы уйти от раздражающих, сдерживающих сомнений, порожденных неожиданностями, разногласиями и т.п., и достичь надежная вера, причем вера представляет собой то, на основании чего человек готов действовать. Он рассматривал научное исследование как часть более широкого спектра и стимулировало его, как и исследование в целом, реальным сомнением, а не просто словесным или гиперболическим сомнением , которое он считал бесплодным. [ты]
Зачастую научный метод применяется не только одним человеком, но и несколькими людьми, сотрудничающими прямо или косвенно. Такое сотрудничество можно рассматривать как важный элемент научного сообщества . В такой среде используются различные стандарты научной методологии.
В научных журналах используется процесс рецензирования , при котором рукописи ученых передаются редакторами научных журналов (обычно одному-трем и обычно анонимным) коллегам-ученым, знакомым с этой областью, для оценки. В некоторых журналах рецензентов выбирает сам журнал; в то время как в других (особенно в чрезвычайно 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 разной степени применяется в разных журналах и может привести к тому, что литература будет свободна от очевидных ошибок и в целом улучшится качество материала, особенно в журналах, которые используют этот стандарт наиболее строго. Процесс рецензирования может иметь ограничения при рассмотрении исследований за пределами традиционной научной парадигмы: проблемы « группового мышления » могут мешать открытому и справедливому обсуждению некоторых новых исследований. [113]
Исследователи иногда практикуют архивирование научных данных , например, в соответствии с политикой государственных финансирующих агентств и научных журналов. В этих случаях подробные записи экспериментальных процедур, необработанные данные, статистический анализ и исходный код могут быть сохранены, 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 потенциальное практическое применение открытия.
Если перед воспроизведением исследования необходима дополнительная информация, автора исследования могут попросить предоставить ее. Они могут предоставить их, или, если автор отказывается поделиться данными , можно подать апелляцию редакторам журналов, опубликовавших исследование, или в учреждение, которое финансировало исследование.
Поскольку ученый не может записать все , что происходило в ходе эксперимента, сообщаются факты, отобранные по их очевидной значимости. Это неизбежно может привести к проблемам в дальнейшем, если какая-то предположительно нерелевантная функция будет поставлена под сомнение. Например, Генрих Герц не сообщил о размере комнаты, использованной для проверки уравнений Максвелла, что, как позже выяснилось, и стало причиной небольшого отклонения в результатах. Проблема в том, что некоторые части самой теории должны предполагать выбор и описание экспериментальных условий. Поэтому наблюдения иногда описываются как «нагруженные теорией».
Наука, применяемая к сложным системам, может включать такие элементы, как трансдисциплинарность , теория систем , теория управления и научное моделирование . Институт Санта-Фе изучает такие системы; [85] Мюррей Гелл-Манн связывает эти темы с передачей сообщений . [114] [16]
Некоторые биологические системы, например те, которые участвуют в проприоцепции , были плодотворно смоделированы с помощью инженерных методов . [115] [116]
В целом научный метод может быть сложно строго применить к разнообразным взаимосвязанным системам и большим наборам данных. В частности, методы, используемые в сфере больших данных , такие как прогнозная аналитика , могут рассматриваться как противоречащие научному методу, [117] поскольку некоторые данные могли быть лишены параметров, которые могли бы быть существенными в альтернативных гипотезах для объяснение; таким образом, удаленные данные будут служить только для поддержки нулевой гипотезы в приложении прогнозной аналитики. Флек (1979), стр. 38–50, отмечает, что «научное открытие остается неполным без учета социальных практик, которые его обуславливают». [118]
Философия науки рассматривает основную логику научного метода, то, что отделяет науку от ненауки , а также этику , которая имплицитно присутствует в науке. Существуют базовые предположения, выведенные из философии по крайней мере одним выдающимся ученым [C] [119] , которые составляют основу научного метода, а именно, что реальность объективна и последовательна, что люди обладают способностью точно воспринимать реальность и что рациональные объяснения существуют для элементов реального мира. [119] Эти предположения методологического натурализма образуют основу, на которой может быть основана наука. Логический позитивист , эмпирист , фальсификационист и другие теории критиковали эти предположения и предлагали альтернативные объяснения логики науки, но каждая из них сама подвергалась критике.
Томас Кун исследовал историю науки в своей книге «Структура научных революций» и обнаружил, что фактический метод, используемый учеными, резко отличался от метода, который тогда поддерживался. 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 по изучению «теоретического» характера наблюдения. Хэнсон (1958) впервые ввёл термин для обозначения идеи о том, что всё наблюдение зависит от концептуальной структуры наблюдателя , используя концепцию гештальта , чтобы показать, как предубеждения могут влиять как на наблюдение, так и на описание. [120] Он открывает главу 1 обсуждением тел Гольджи и их первоначального неприятия как артефакта техники окрашивания, а также обсуждением того, как Браге и Кеплер наблюдали рассвет и видели «другой» восход солнца, несмотря на то же самое физиологическое явление. [i] [v] Кун [121] и Фейерабенд [122] признают новаторское значение работы Хэнсона.
Пол Фейерабенд аналогичным образом исследовал историю науки и был вынужден отрицать, что наука на самом деле 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 его нарушение способствовало прогрессу науки. Таким образом, если сторонники научного метода желают сформулировать единственное универсально действенное правило, в шутку предполагает Фейерабенд, то им должно быть «все дозволено». [123] Однако это неэкономично. [B] Критика, такая как Фейерабенд, привела к сильной программе , радикальному подходу к социологии науки .
Постмодернистская критика науки сама по себе стала предметом интенсивных споров. Эти продолжающиеся 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 (этот термин имеет особое значение в этом контексте) и не представляет какой-либо формы фундаментальной истины, реалисты в научном сообществе утверждают, что научное знание действительно раскрывает реальные и фундаментальные истины о реальности. Ученые написали множество книг, которые берутся за эту проблему и бросают вызов утверждениям постмодернистов, одновременно защищая науку как законный метод достижения истины. [124]
В области антропологии и социологии , после полевых исследований в академической научной лаборатории Латура и Вулгара , Карин Норр Сетина провела сравнительное исследование двух научных областей (а именно, физики высоких энергий и молекулярной биологии ), чтобы прийти к выводу, что эпистемические практики и рассуждения в обеих научных областях научные сообщества достаточно различны, чтобы ввести концепцию « эпистемических культур », что противоречит идее о том, что так называемый «научный метод» является уникальным и объединяющим понятием. [125] Сравнивая «эпистемические культуры» с Fleck 1935, «Мыслительные коллективы» , ( denkkollektiven ): Entstehung und Entwicklung einer wissenschaftlichen Tatsache: Einf?hrung in die Lehre vom Denkstil und Denkkollektiv [126] Fleck (1979), p. xxvii признает, что факты имеют свою жизнь и процветают только после инкубационного периода. Он выбрал для исследования вопрос (1934 г.) « КАК ТОГДА ВОЗНИК ЭТОТ ЭМПИРИЧЕСКИЙ ФАКТ И В ЧЕМ ОН СОДЕРЖИТ?». [127] Но, согласно Fleck 1979, стр. 27, мыслительные коллективы в соответствующих областях должны будут остановиться на общей специализированной терминологии, опубликовать свои результаты и в дальнейшем взаимодействовать со своими коллегами, используя общую терминологию, чтобы прогрессировать. [128]
Наука — это процесс сбора, сравнения и оценки предлагаемых моделей на основе наблюдаемых данных .Модель может представлять собой симуляцию, математическую или химическую формулу или набор предлагаемых шагов. Наука подобна математике в том смысле, что исследователи обеих дисциплин пытаются отличить известное от неизвестного на каждом этапе открытия. Модели как в науке, так и в математике должны быть внутренне непротиворечивыми, а также быть фальсифицируемыми (способными опровергнуть). В математике утверждение еще не нужно доказывать; на таком этапе это утверждение можно было бы назвать гипотезой . Но когда утверждение получает математическое доказательство, оно обретает своего рода бессмертие, которое высоко ценится математиками и ради которого некоторые математики посвящают свою жизнь. [129]
Математическая работа и научная работа могут вдохновлять друг друга. [31] Например, в науке возникла техническая концепция времени , 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 (и, следовательно, наукой в той степени, в которой она описывает реальность) остается неясной. Статья Юджина Вигнера « Необоснованная эффективность математики в естественных науках » представляет собой очень известный взгляд на эту проблему физика, лауреата Нобелевской премии. Фактически, некоторые наблюдатели (в том числе некоторые известные математики, такие как Грегори Хайтин , и другие, такие как Лакофф и Нуньес ) предположили, что математика является результатом предвзятости практиков и человеческих ограничений (в том числе культурных), что чем-то похоже на постмодернистскую теорию. взгляд на науку.
Работы Джорджа Пойа по решению проблем , [130] построению математических доказательств и эвристике [131] [132] 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 Пойи, понимание включает в себя повторение незнакомых определений своими словами, обращение к геометрическим фигурам и сомнение в том, что мы знаем и чего еще не знаем; анализ , который Полья заимствует у Паппа , [133] предполагает свободное и эвристическое построение правдоподобных аргументов, движение назад от цели и разработку плана построения доказательства; синтез — строгое евклидово изложение пошаговых деталей [134] доказательства; Обзор включает в себя пересмотр и повторное изучение результата и пути, пройденного к нему.
Основываясь на работе Пойи, Имре Лакатос утверждал, что математики на самом деле используют противоречие, критику и пересмотр как принципы для улучшения своей работы. [135] [w] Подобно науке, где истина ищется, но уверенность не находится, в « Доказательствах и опровержениях » Лакатос пытался установить, что ни одна теорема неформальной математики не является окончательной или совершенной. Это означает, что мы не должны думать, что теорема в конечном итоге верна, а только то, что контрпример еще не найден. Как только найден контрпример, т.е. сущность, противоречащая/не объясненная теоремой, мы корректируем теорему, возможно, расширяя область ее действия. Это непрерывный путь накопления наших знаний посредством логики и процесса доказательств и опровержений. (Однако, если для раздела математики даны аксиомы, это создает логическую систему — Витгенштейн 1921 Tractatus Logico-Philosophicus 5.13; Лакатос утверждал, что доказательства из такой системы были тавтологичны , то есть внутренне логически истинны , путем переписывания форм , как показано Пуанкаре, который продемонстрировал технику преобразования тавтологически истинных форм (а именно, эйлеровой характеристики ) в формы из гомологий или из них , [136] или, более абстрактно, из гомологической алгебры . [137] ) [138] [w]
Лакатос предложил объяснение математических знаний, основанное на идее эвристики Пойи . В «Доказательствах и опровержениях» Лакатос дал несколько основных правил поиска доказательств и контрпримеров к гипотезам. Он считал, что математические « мысленные эксперименты » являются действенным способом обнаружения математических гипотез и доказательств. [140]
Гаусс , когда его спросили, как он пришел к своим теоремам , однажды ответил: «durch planmässiges Tattonieren» (посредством систематических ощутимых экспериментов ). [141]
Когда научный метод использует статистику в качестве ключевой части 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 результатов исследований ложны» 2005 года , которая считается основополагающей для области метанауки . [142] Многие исследования в области метанауки направлены на выявление неэффективного использования статистики и улучшение ее использования. [х] [й]
Конкретные поднятые вопросы носят статистический характер («Чем меньше исследований, проводимых в научной области, тем меньше вероятность того, что результаты исследований будут правдивыми» и «Чем больше гибкость в дизайне, определениях, результатах и аналитических методах в научной области», тем менее вероятно, что результаты исследования будут правдивыми.») и экономичными («Чем больше финансовых и других интересов и предубеждений в научной области, тем меньше вероятность того, что результаты исследования будут правдивыми» и «Чем жарче научная область ( Чем больше задействовано научных групп), тем меньше вероятность того, что результаты исследований окажутся правдивыми».) Следовательно: «Большинство результатов исследований ложны для большинства исследовательских проектов и для большинства областей» и «Как показано, большинство современных биомедицинских исследований проводятся в районах с очень низкой вероятностью получения истинных результатов до и после исследования». Однако: «Тем не менее, большинство новых открытий будут по-прежнему происходить в результате исследований, генерирующих гипотезы, с низкими или очень низкими шансами перед исследованием», а это означает, что *новые* открытия будут происходить в результате исследований, которые на момент начала этих исследований имели низкую или очень низкую вероятность. низкие шансы (низкий или очень низкий шанс) на успех. Следовательно, если научный метод используется для расширения границ знаний, исследования в областях, выходящих за рамки основного направления, принесут новейшие открытия.
По оценкам , от 33% до 50% всех научных открытий были сделаны случайно , а не искались. Это может объяснить, почему ученые так часто заявляют, что им повезло. [144] Луи Пастеру приписывают известное высказывание о том, что «Удача благоприятствует подготовленному разуму», но некоторые психологи начали изучать, что значит быть «подготовленным к удаче» в научном контексте. Исследования показывают, что учёных обучают различным эвристикам, которые используют случайность и неожиданность. [144] [145] Это то, что Нассим Николас Талеб называет «антихрупкостью»; в то время как некоторые системы исследования хрупки перед лицом человеческих ошибок , человеческой предвзятости и случайности, научный метод более чем устойчив и жесток – он на самом деле извлекает выгоду из такой случайности во многих отношениях (он антихрупок). Талеб считает, что чем более антихрупкая система, тем больше она будет процветать в реальном мире. [146]
Психолог Кевин Данбар говорит, что процесс открытия часто начинается с того, что исследователи обнаруживают 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 постоянна и систематична, чтобы быть совпадением. Таким образом, строго контролируемые, осторожные и любопытные аспекты научного метода делают его хорошо подходящим для выявления таких стойких систематических ошибок. На этом этапе исследователь начнет думать о теоретических объяснениях ошибки, часто обращаясь за помощью к коллегам из разных областей знаний. [144] [145]
[20]...правда это или ложь, нам все равно придется делать выбор. Знаете, просто потому, что время — ограниченный ресурс. Внимание — ограниченный ресурс. Деньги – ограниченный ресурс. Итак, это всегда важные вопросы.
Однако при дальнейшем рассмотрении научный метод обнаруживает поразительное сходство с более широким процессом эволюции. [...] Большое значение имеет эволюционный алгоритм, который использует упрощенную часть процесса естественной эволюции, применяемую для поиска решения проблем, которые слишком сложны для решения традиционными аналитическими методами. По сути, это процесс ускоренных и строгих проб и ошибок, основанных на предыдущих знаниях для уточнения существующей гипотезы или полного ее отказа в поисках лучшей модели. [...] Эволюционный алгоритм — это метод, возникший в результате эволюции обработки знаний, применяемый в контексте науки и техники, который сам по себе является результатом эволюции. Научный метод продолжает развиваться посредством адаптивного вознаграждения, проб и ошибок и применения метода к самому себе.
...чтобы учиться, нужно хотеть учиться...
Вероятно, лучше сначала избавиться от плохих новостей, так называемый научный метод - это миф. ... Если бы типичные формулировки были точными, единственным местом, где развивалась бы настоящая наука, были бы классы начальной школы.
Существует большое количество людей, которые думают, что существует такая вещь, как научный метод, который может быть оправдан, хотя не все согласны с тем, что это может быть. Но растет и число людей, считающих, что не существует метода оправдания. Для некоторых вся идея – это вчерашние дебаты, продолжение которых можно охарактеризовать как еще одну пресловутую «порку дохлой лошади». Мы позволим себе не согласиться. ... Мы будем утверждать, что Фейерабенд действительно поддерживал различные научные ценности, принимал правила метода (при определенном понимании того, что они собой представляют) и пытался оправдать их, используя метаметодологию, отчасти близкую к принципу рефлективного равновесия .
Неизменно приходилось сталкиваться с фундаментальными физическими ограничениями точности измерений. ... Искусство физических измерений казалось вопросом компромисса, выбора между взаимно связанными неопределенностями. ... Однако, умножив вместе упомянутые сопряженные пары пределов неопределенности, я обнаружил, что они образуют инвариантные произведения не одного, а двух различных видов. ... Первая группа пределов рассчитывалась априори на основе технических характеристик прибора. Вторую группу можно было рассчитать только апостериорно на основе спецификации того, что было сделано с инструментом. ... В первом случае каждая единица [информации] добавит одно дополнительное измерение (концептуальную категорию), тогда как во втором каждая единица добавит один дополнительный атомарный факт .
6 августа 1753 года в Петербурге был убит током шведский учёный Георг Вильгельм Рихман...
