4.05.2017

ДОДАТОК Е: Вступ до Наукового Методу

Original: http://teacher.nsrl.rochester.edu/phy_labs/AppendixE/AppendixE.html

Вступ до Наукового Методу

· I. Науковий метод має чотири кроки

· II. Перевірка гіпотез

· III. Поширені помилки під час застосування наукового методу

· IV. Гіпотези, моделі, теорії та закони

· V. Чи існують обставини, за яких науковий метод не застосовується?

· VI. Висновок

· VII. Довідкові матеріали



Вступ до Наукового Методу

Науковий метод являє собою процес, за допомогою якого вчені, колективно і з плином часу, прагнуть побудувати точну (тобто, надійний, послідовний і мимовільної) уявлення про світ.

Визнаючи, що особисті та культурні переконання впливають як на наше сприйняття і наші інтерпретації природних явищ, ми прагнемо за рахунок використання стандартних процедур і критеріїв, щоб мінімізувати ці впливи при розробці теорії. Як відомий вчений одного разу сказав: «Розумні люди (як смарт-юристів) можуть придумати дуже хороші пояснення помилкових точок зору». Таким чином, науковий метод намагається мінімізувати вплив упереджень або упередженості в експериментатора під час тестування гіпотези або теорії.

I. Науковий метод має чотири кроки

1. Спостереження і опис явища або групи явищ.

2. Формулювання гіпотези для пояснення явищ. У фізиці, гіпотеза часто приймає форму причинного механізму або математичного співвідношення.

3. Використання гіпотези передбачити існування інших явищ, або передбачити кількісно результати нових спостережень.

4. Виконання експериментальних випробувань пророкувань декількома незалежними експериментаторами і правильно проведених експериментів.

Якщо експерименти підтверджують гіпотезу про те, що може прийти до розглядатися як теорія або закон природи (докладніше про поняттях гіпотези, моделі, теорії та права нижче). Якщо експерименти не підтверджують гіпотезу, вона повинна бути відкинута або модифікована. Що є ключовим в описі наукового методу тільки що дав це предсказательная сила (здатність отримати більше теорії, ніж ви поклали, див. Барроу, 1991) гіпотези або теорії, перевірене досвідом. Часто кажуть в науці, що теорії не може бути доведена лише спростовано. Існує завжди ймовірність того, що нове спостереження або новий експеримент буде конфліктувати з давньою теорією.

II. Перевірка гіпотез

Як тільки що сказав, експериментальні випробування можуть призвести або до підтвердження гіпотези, або постанова з гіпотези. Науковий метод вимагає, щоб гіпотеза бути виключена або змінена, якщо її пророкування чітко і неодноразово несумісне з експериментальними випробуваннями. Крім того, незалежно від того, як шикарно теорії є, її прогноз не має узгоджується з експериментальними результатами, якщо ми вважаємо, що це дійсне опис природи. У фізиці, як і в будь-який експериментальної науці, «експеримент є вищим» і експериментальною перевіркою гіпотетичних передбачень є абсолютно необхідною. Експерименти можуть випробувати теорію безпосередньо (наприклад, спостереження нової частинки), або можуть перевірити наслідки, отриманих з теорії, використовуючи математику і логіку (швидкість радіоактивного розпаду процесу, що вимагає існування нової частинки). Слід зазначити, що необхідність експерименту також випливає, що теорія повинна бути перевіряється. Теорії, які не можуть бути перевірені, так як, наприклад, вони не мають ніяких спостережуваних наслідків (наприклад, частки, характеристики якого роблять його ненаблюдаеми), що не кваліфікуються як наукові теорії.

Якщо передбачення теорії давньої виявляється в протиріччі з новими експериментальними результатами, теорія може бути відкинута як опис реальності, але вона може продовжувати застосовуватися в обмеженому діапазоні вимірюваних параметрів. Наприклад, закони класичної механіки (закони Ньютона) справедливі тільки тоді, коли швидкість інтересу набагато менше швидкості світла (тобто, в алгебраїчній формі, коли v/с << 1). Оскільки це область значної частини людського досвіду, закони класичної механіки широко, корисно і правильно застосовувати в широкому діапазоні технологічних і наукових проблем. Однак в природі ми спостерігаємо область, в якій v/с чимало. Рухи об’єктів в цій галузі, а також русі в «класичної» області, точно описуються через рівняння теорії відносності Ейнштейна. Ми вважаємо, що, через експериментальних випробувань, що релятивістська теорія дає більш загальне, і, отже, більш точний, опис принципів, що регулюють нашу всесвіт, ніж раніше «класичної» теорії. Крім того, ми знаходимо, що релятивістські рівняння зводяться до класичних рівнянь в межі v/с << 1. Аналогічно, класична фізика справедлива лише на відстанях, значно більших, ніж атомні луски (х >> 10-8 м). Опис, яке діє на всі масштабах довжини даються рівняннями квантової механіки.

Ми всі знайомі з теоріями, які повинні були бути відкинуті в умовах експериментальних даних. В області астрономії, земля-центрированное опис планетарних орбіт було повалено коперниканской системою, в якій сонце був поміщений в центрі ряду концентричних, кільцевих планетарних орбіт. Пізніше ця теорія була змінена, так як були знайдені вимірювання рухів планет, щоб бути сумісним з еліптичними, а не круглими, орбіт, а ще пізніше планетарне рух було виявлено, виведеними з законів Ньютона.

Помилка в експериментах має кілька джерел. По-перше, є помилка властиве інструментів вимірювання. Оскільки цей тип помилки має рівну ймовірність отримання вимірювання вище або нижче, ніж чисельно «істинного» значення, це називається випадковою помилкою. По-друге, не є випадковою або систематичної помилки, через фактори, які зміщують результат в одному напрямку. Немає вимірювання, і тому не експерименту, не можуть бути абсолютно точними. У той же час, в науці ми маємо стандартні способи оцінки, а в деяких випадках, що зменшують помилку. При цьому важливо, щоб визначити точність конкретного виміру, а при постановці кількісних результатів, процитувати похибка вимірювання. Вимірювання без цитованих помилок не має сенс. Порівняння між експериментом і теорією проводиться в контексті експериментальних помилок. Вчені запитують, скільки стандартних відхилень наведені результати теоретичного передбачення? Чи були всі джерела систематичних і випадкових помилок були належним чином оцінені? Це обговорюється більш детально в додатку на аналіз помилок і в статистиці лаб 1.

III. Поширені помилки під час застосування наукового методу

Як вже говорилося раніше, науковий метод намагається мінімізувати вплив зсуву вченого про результати експерименту. Тобто, при тестуванні гіпотези або теорії, вчений може мати перевагу тій чи іншій результат, і дуже важливо, що це перевагу не упередженість результатів або їх інтерпретації. Найбільш фундаментальна помилка є помилкою гіпотези для пояснення феномена, без проведення експериментальних випробувань. Іноді «здоровий глузд» і «логіка» спокушати нас повірити, що жоден тест не потрібно. Є численні приклади, що датуються від грецьких філософів до наших днів.

Ще одна поширена помилка полягає в тому, щоб ігнорувати або виключити дані, які не підтримують гіпотезу. В ідеалі, експериментатор відкритий можливості того, що гіпотеза є правильною або неправильною. Іноді, однак, вчений може мати тверде переконання, що гіпотеза вірна (або брехня), або відчуває внутрішнє або зовнішнє тиск, щоб отримати певний результат. В цьому випадку, може бути психологічна тенденція, щоб знайти «щось не так», наприклад, систематичні ефекти, з даними, які не підтримують очікування вчених, в той час як дані, які згодні з цими очікуваннями не можуть бути перевірені, як ретельно. Урок полягає в тому, що всі дані повинні бути оброблені таким же чином.

Ще одна поширена помилка виникає через нездатність оцінити кількісно систематичні помилки (і всі помилки). Є багато прикладів відкриттів, які були пропущені експериментаторами, чиї дані містив нове явище, але хто пояснював його як системний фон. З іншого боку, є багато прикладів нібито «нових відкриття», які пізніше виявилися через систематичні помилки, які не обліковані за «першовідкривачам».

В поле, де є активне експериментування і відкрите спілкування між членами наукового співтовариства, ухили окремих осіб або груп можуть компенсуватися, так як експериментальні тести повторюються різними вченими, які можуть мати різні ухили. Крім того, різні типи експериментальних установок мають різні джерела систематичних помилок. За період, що охоплює безліч експериментальних випробувань (як правило, по крайней мере, кілька років), консенсус розвивається в суспільстві, як, до якої експериментальні результати витримали випробування часом.

IV. Гіпотези, моделі, теорії та закони

У фізиці та інших наукових дисциплін, слова «гіпотеза», «модель», «теорія» і «право» мають різні конотації по відношенню до стадії прийняття або знань про групу явищ.

Гіпотеза обмежене твердження щодо причини і слідства в конкретних ситуаціях; це також відноситься до нашого рівня знань, перш ніж експериментальна робота була виконана, і, можливо, навіть до того, нові явища були передбачені. Візьмемо приклад з повсякденного життя, припустимо, ви виявите, що ваш автомобіль не заводиться. Ви можете сказати: «Моя машина не заводиться, тому що акумулятор розряджений». Це ваша перша гіпотеза. Потім ви можете перевірити, чи було залишено на світлі, або якщо двигун робить певний звук при повороті ключа запалювання. Ви можете фактично перевірити напругу на клемах акумуляторної батареї. Якщо ви виявите, що акумулятор не є низьким, ви могли б спробувати іншу гіпотезу («Стартер зламаний», «Це дійсно не моя машина».)

Модель слова для тих ситуацій, коли відомо, що гіпотеза має, щонайменше, з обмеженим терміном дії. Часто цитований приклад це модель Бора атома, в якому, за аналогією з Сонячною системою, електрони описуються є рухомі по кругових орбітах навколо ядра. Це не точний опис того, що атом «виглядає», але модель вдається математично представляє енергію (але не правильні кутові моменти) квантових станів електрона в простому випадку, атом водню. Іншим прикладом є закон Гука (який повинен бути названий принцип Гука, або модель Гука), який свідчить, що сила, яка діє на масу, прикріпленого до пружини пропорційна кількості пружина розтягується. Ми знаємо, що цей принцип діє тільки для невеликих кількостей розтягування. «Закон» зазнає невдачі, коли пружина розтягується за межі своєї межі пружності (це може привести до поломки). Цей принцип, однак, призводить до передбачення простого гармонійного руху, і, як модель поведінки пружини, було універсальним в надзвичайно широкому діапазоні застосувань.

Наукова теорія або закон являє собою гіпотезу, або групу пов’язаних гіпотез, яка була підтверджена шляхом багаторазових експериментальних випробувань. Теорії в фізиці часто формулюються в термінах декількох понять і рівнянь, які ідентифікуються з «законами природи», що свідчить про їх універсальної застосовності. Прийняті наукові теорії і закони стають частиною нашого розуміння Всесвіту і основою для вивчення менш добре вивчені області знань. Теорії не так легко відкидається; нові відкриття першої передбачається, щоб вписатися в існуючі теоретичні рамки. Тільки тоді, коли, після багаторазових експериментальних випробувань, нове явище не може бути розміщено, що вчені всерйоз сумніви теорії і спробувати змінити його. Дійсність, що ми надаємо наукові теорії, як представляє реальність фізичного світу, щоб контрастувати з легким недійсності, яка витікає з виразу «Це всього лише теорія.» Наприклад, малоймовірно, що людина піде від висотної будівлі на припущенні, що вони не будуть падати, тому що «Гравітація це тільки теорія».

Зміни в науковій думці і теорії виникають, звичайно, іноді революціонізувати наше уявлення про світ (Кун, 1962). Знову ж, ключовою рушійною силою змін є науковий метод, і його акцент на досвіді.

V. Чи існують обставини, за яких науковий метод не застосовується?

У той час як науковий метод необхідний в розвитку наукових знань, це також корисно в повсякденні проблеми. Що ви робите, коли ваш телефон не працює? Чи є ця проблема в наборі руки, кабелі всередині вашого будинку, зчеплення на вулиці, або в виробках телефонної компанії? Процес, який ви могли б пройти, щоб вирішити цю проблему, може включати в себе наукове мислення, і результати можуть суперечити вашим початковим очікуванням.

Як і будь-який хороший вчений, ви можете запитати діапазон ситуацій (за межами науки), в якій може бути застосований науковий метод. З того, що було сказано вище, ми визначаємо, що науковий метод найкраще працює в ситуаціях, коли можна виділити феномен інтересу, шляхом усунення або обліку зовнішніх факторів, і де можна повторно перевірити досліджувану систему після створення обмежених, контрольованих змін в цьому.

Є, звичайно, обставини, коли один не може ізолювати явища або коли один не може повторити вимір знову і знову. У таких випадках результати можуть залежати частково від історії ситуації. Це часто відбувається в соціальних взаємодіях між людьми. Наприклад, коли адвокат робить аргументи перед присяжними в суді, він або вона не може спробувати інші підходи, повторюючи випробування знову і знову перед тим же журі. У новому випробуванні, склад журі буде відрізнятися. Навіть той же журі слух новий набір аргументів, не можна очікувати, щоб забути, що вони чули раніше.

VI. Висновок

Науковий метод нерозривно пов’язаний з наукою, в процесі людського дослідження, який проникає в сучасну епоху на багатьох рівнях. Хоча метод здається простим і логічним в описі, немає, мабуть, не більше складне питання, ніж знання того, як ми пізнаємо речі. У цьому вступі, ми підкреслювали, що науковий метод відрізняє науку від інших форм пояснення, оскільки його вимоги систематичного експериментування. Ми також спробували вказати на деякі з критеріїв і методів, розроблених вченими, щоб зменшити вплив індивіда або соціального ухилу на наукових висновках. Подальші дослідження наукового методу і інші аспекти наукової практики можуть бути знайдені в посиланнях, перерахованих нижче.

VII. Довідкові матеріали

1. Уілсон, E. Брайт. Вступ до наукового дослідження (McGraw-Hill, 1952).

2. Кун, Томас. Будова наукових революцій (Univ. of Chicago Press, 1962).

3. Барроу, Джон. Теорії всього (Oxford Univ. Press, 1991).


Коментарі та пропозиції: wolfs@nsrl.rochester.edu

About The Author

admin

Comments are closed.