Tudományos módszer: definíció, lépések és példák

A tudományos vizsgálati módszereket egy "kritériumnak" nevezett kérdés különbözteti meg. Ez egy válasz arra a kérdésre: van-e mód arra, hogy megállapítsuk, hogy egy fogalom vagy elmélet tudomány-e, szemben valamilyen másfajta ismerettel vagy hittel? Számos elképzelés született arra vonatkozóan, hogy hogyan kellene ezt kifejezni. A logikai pozitivisták úgy gondolták, hogy egy elmélet akkor tudományos, ha ellenőrizhető; Karl Popper azonban úgy vélte, hogy ez tévedés. Szerinte egy elmélet csak akkor tudományos, ha valamilyen módon megcáfolható. Másrészt Paul Feyerabend úgy gondolta, hogy nincs kritérium. Számára a "bármit lehet", vagy ami működik, az működik.

A tudósok megpróbálják hagyni, hogy a valóság önmagáért beszéljen. Támogatnak egy elméletet, ha annak előrejelzései beigazolódnak, és megkérdőjelezik azt, ha előrejelzései hamisnak bizonyulnak. A tudományos kutatók hipotéziseket kínálnak fel a jelenségek magyarázataként, és kísérleteket terveznek e hipotézisek tesztelésére. Mivel a nagy elméleteket nem lehet közvetlenül tesztelni, ez az elméletből levezetett jóslatok tesztelésével történik. Ezeknek a lépéseknek megismételhetőnek kell lenniük, hogy megóvjanak az egyes kísérletezők tévedéseitől vagy félreértéseitől.

A tudományos vizsgálat célja általában a lehető legnagyobb objektivitás. Az eredmények elfogult értelmezésének csökkentése érdekében a tudósok közzéteszik munkájukat, és így megosztják az adatokat és módszereket más tudósokkal.

A tudományt és a nem tudományos dolgokat (például az áltudományt) gyakran aszerint különböztetik meg, hogy alkalmazzák-e a tudományos módszert. John Stuart Mill volt az egyik első, aki megalkotta a tudományos módszer lépéseinek vázlatát.

Nincs egyetlen tudományos módszer. Egyes tudományterületek matematikai modelleken alapulnak, mint például a fizika és az éghajlattudomány. Más területek, mint például a társadalomtudományok számos területe, durva elméletekkel rendelkeznek, és inkább az adatokból kirajzolódó mintákra támaszkodnak. A tudósok néha a hipotézisek tesztelésére és megerősítésére összpontosítanak, de a nyílt végű kutatás is fontos. Egyes tudományterületek laboratóriumi kísérleteket használnak. Mások valós helyzetekből származó megfigyeléseket gyűjtenek. A tudomány számos területe kvantitatív, a numerikus adatokra és a matematikai elemzésre helyezi a hangsúlyt. Néhány területen azonban, különösen a társadalomtudományokban, kvalitatív módszereket alkalmaznak, például interjúkat vagy az emberi vagy állati viselkedés részletes megfigyelését. Ha túlságosan egyfajta módszerre összpontosítunk, az oda vezethet, hogy figyelmen kívül hagyjuk a más módszerekkel előállított ismereteket.

Egyes tankönyvek egyetlen, szabványos "tudományos módszerre" összpontosítanak. Ez az egységes tudományos módszerre vonatkozó elképzelés nagyrészt a tudomány kísérleti, hipotéziseket vizsgáló, kvantitatív területein alapul. A tudomány más területeire nem nagyon alkalmazható. Gyakran úgy írják le, hogy több lépésből áll:

1. Tegyél fel egy kérdést a világról. Minden tudományos munka úgy kezdődik, hogy van egy kérdés, amit fel kell tenni, vagy egy probléma, amit meg kell oldani.^{I, p9} Néha a megfelelő kérdés felvetése a legnehezebb egy tudós számára. A kérdésnek egy kísérlet segítségével megválaszolhatónak kell lennie.
2. Állítson fel egy hipotézist - egy lehetséges választ a kérdésre. A hipotézis a tudományban egy olyan szó, amelynek jelentése: "Egy megalapozott feltételezés arról, hogy valami hogyan működik". Lehetővé kell tenni, hogy bebizonyosodjon, hogy helyes vagy helytelen. Például egy olyan állítás, mint "A kék szín jobb szín, mint a zöld" nem tudományos hipotézis. Nem lehet bebizonyítani, hogy helyes vagy helytelen. "Több ember szereti a kék színt, mint a zöldet" viszont tudományos hipotézis lehet, mert sok embert meg lehet kérdezni arról, hogy jobban szeretik-e a kéket, mint a zöldet, és így vagy így, vagy úgy, de választ kaphatunk.
3. Tervezzen meg egy kísérletet. Ha a hipotézis valóban tudományos, akkor lehetővé kell tenni egy kísérlet megtervezését a hipotézis tesztelésére. A kísérletnek meg kell tudnia mondani a tudósnak, hogy a hipotézis téves-e; azt nem feltétlenül, hogy a hipotézis helyes-e. A fenti példában egy kísérlet során sok embert megkérdezhetnénk arról, hogy melyek a kedvenc színeik. Egy kísérlet elkészítése azonban nagyon nehéz lehet. Mi van akkor, ha a legfontosabb kérdés, amit az emberektől meg kell kérdezni, nem az, hogy milyen színeket szeretnek, hanem az, hogy milyen színeket utálnak? Hány embert kell megkérdezni? Vannak-e olyan módjai a kérdésfeltevésnek, amelyek a várttól eltérő módon változtathatják meg az eredményt? Ezek mind olyan típusú kérdések, amelyeket a tudósoknak fel kell tenniük, mielőtt kísérletet végeznek. A tudósok általában egyszerre csak egy dolgot akarnak tesztelni. Ennek érdekében megpróbálják a kísérlet minden részét mindenre nézve ugyanolyanná tenni, kivéve azt a dolgot, amit tesztelni akarnak.
4. Kísérletezzen és gyűjtse össze az adatokat. Itt a tudós megpróbálja lefuttatni a korábban tervezett kísérletet. Néha a tudósnak a kísérlet során új ötletei támadnak. Néha nehéz eldönteni, hogy mikor ér végleg véget egy kísérlet. Néha a kísérletezés nagyon nehéz lesz. Egyes tudósok életük nagy részét azzal töltik, hogy megtanulják, hogyan kell jó kísérleteket végezni.
5. Miért-kérdések. A magyarázatok válaszok a miért-kérdésekre. ^{II, p3}
6. Vonja le a következtetéseket a kísérletből. Néha az eredmények nem könnyen érthetőek. Néha maguk a kísérletek új kérdéseket vetnek fel. Néha egy kísérlet eredményei sokféle dolgot jelenthetnek. Mindezeket alaposan át kell gondolni.
7. Közölje őket másokkal. A tudomány egyik kulcseleme a kísérletek eredményeinek megosztása, hogy más tudósok maguk is felhasználhassák a tudást, és az egész tudomány hasznot húzhasson belőle. Általában a tudósok nem bíznak meg egy új állításban, hacsak más tudósok nem nézték át előbb, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy az valódi tudománynak tűnik-e. Ezt nevezik szakértői értékelésnek ("szakértő" itt azt jelenti, hogy "más tudósok"). A szakértői értékelésen átesett munkákat tudományos folyóiratban publikálják.

Bár listaként van leírva, a tudósok többször is megfordulhatnak a különböző lépések között, mielőtt elégedettek lennének a válasszal.

Nem minden tudós használja a fenti "tudományos módszert" a mindennapi munkája során. Néha a tényleges tudományos munka egyáltalán nem hasonlít a fentiekre.

Tegyük fel, hogy meg akarjuk vizsgálni a hőmérséklet hatását arra, hogyan oldódik a cukor egy pohár vízben. Az alábbiakban a tudományos módszert lépésről lépésre követve mutatjuk be ennek egyik módját.

Cél

Forró vagy hideg vízben gyorsabban oldódik a cukor? Befolyásolja-e a hőmérséklet, hogy a cukor milyen gyorsan oldódik? Ezt a kérdést érdemes feltenni.

A kísérlet megtervezése

Egy egyszerű kísérlet az lenne, ha cukrot oldanánk fel különböző hőmérsékletű vízben, és nyomon követnénk, mennyi idő alatt oldódik fel a cukor. Ez annak az elképzelésnek a tesztje lenne, hogy az oldódás sebessége az oldószer mozgási energiájának függvényében változik.

Biztosra akarunk menni, hogy minden egyes kísérletben pontosan ugyanannyi vizet és pontosan ugyanannyi cukrot használjunk. Azért tesszük ezt, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a hőmérséklet önmagában okozza a hatást. Előfordulhat például, hogy a cukor és a víz aránya is befolyásolja az oldódás sebességét. Hogy különösen óvatosak legyünk, a kísérletet úgy is lefuttathatjuk, hogy a víz hőmérséklete a kísérlet során ne változzon.

Ezt hívják "egy változó elkülönítésének". Ez azt jelenti, hogy a lehetséges hatást gyakorló tényezők közül csak egyet változtatunk meg a kísérletben.

A kísérlet lefuttatása

A kísérletet három kísérletben fogjuk elvégezni, amelyek pontosan ugyanazok, kivéve a víz hőmérsékletét.

1. Pontosan 25 gramm cukrot teszünk pontosan 1 liter majdnem jéghideg vízbe. Nem keverjük meg. Megállapítjuk, hogy 30 percbe telik, mire az összes cukor feloldódik.
2. Pontosan 25 gramm cukrot teszünk pontosan 1 liter szobahőmérsékletű (20 °C) vízbe. Nem keverjük meg. Megállapítjuk, hogy 15 percbe telik, mire az összes cukor feloldódik.
3. Pontosan 25 gramm cukrot teszünk pontosan 1 liter meleg vízbe (50 °C). Nem keverjük meg. Megállapítjuk, hogy 4 percbe telik, mire az összes cukor feloldódik.

Következtetések levonása

Az eredmények áttekintését megkönnyíti, ha táblázatot készítünk belőlük, felsorolva minden egyes alkalommal, amikor a kísérletet lefuttattuk, a megváltozott dolgokat. A mi táblázatunk így nézhet ki:

Ha a kísérlet minden más része ugyanolyan lenne (nem használtunk egyszerre több cukrot, mint máskor, nem kevertük meg egyszerre a cukrot, stb.), akkor ez nagyon jó bizonyíték lenne arra, hogy a hő befolyásolja a cukor gyors feloldódását.

Azt azonban nem tudhatjuk biztosan, hogy nem befolyásolja-e valami más is. Rejtett ok lehet például az, hogy a cukor gyorsabban oldódik, ahányszor több cukrot oldunk fel ugyanabba az edénybe. Ez valószínűleg nem igaz, de ha így lenne, akkor az eredmények pontosan ugyanolyanok lennének: három kísérlet, és az utolsó lenne a leggyorsabb. Egyelőre nincs okunk azt hinni, hogy ez igaz, de érdemes megjegyezni, mint másik lehetséges választ.

A replikációs válság (vagy replikálhatósági válság) a tudomány válságára utal. Nagyon gyakran előfordul, hogy egy tudományos kísérlet eredményét később nehéz vagy lehetetlen megismételni, akár független kutatók, akár maguk az eredeti kutatók által. Bár a válságnak régi gyökerei vannak, a kifejezést a 2010-es évek elején alkották meg a probléma növekvő tudatosságának részeként.

Mivel a kísérletek reprodukálhatósága a tudományos módszer alapvető része, a vizsgálatok megismétlésének képtelensége súlyos következményekkel járhat.

A replikációs válságot különösen széles körben vitatták meg a pszichológia (és különösen a szociálpszichológia) és az orvostudomány területén, ahol számos erőfeszítést tettek a klasszikus eredmények újbóli vizsgálatára, és arra, hogy megpróbálják meghatározni mind az eredmények érvényességét, mind pedig - ha érvénytelenek - a replikáció sikertelenségének okait.

A közelmúltban lezajlott viták jobban megismertették ezt a problémát.

A tudományos módszer elemeit már a korai természettudósok is kidolgozták.

• "Jó elvnek tartjuk, hogy a jelenségeket a lehető legegyszerűbb hipotézissel magyarázzuk." Ptolemaiosz (Kr. u. 85-165). Ez egy korai példája annak, amit Occam borotvájának nevezünk.
• Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) és Roger Bacon (1214-1294) mindannyian tettek némi előrelépést a tudományos módszer kidolgozásában.
• A tudósok a 17. században kezdtek egyetérteni abban, hogy a kísérleti módszer a fő út az igazság kiderítéséhez. Ezt Nyugat-Európában olyan emberek tették, mint Galilei, Kepler, Hooke, Boyle, Halley és Newton. Ezzel egy időben feltalálták a mikroszkópot és a távcsövet (Hollandiában), és megalakult a Királyi Társaság. A műszerek, a társaságok és a könyvkiadás mind-mind nagyban segítették a tudományt.

• Hamisíthatóság
• A tudomány története
• Tudományfilozófia
• Vak kísérlet