ДОДАТАК Е: Увод у научни метод

Source:

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

Научни метод је процес који научници, колективно и током времена, настојати да изгради прецизан (која је, поуздан, доследно и без произвољно) репрезентација света.

Имајући у виду да лична и културна уверења утичу на обе наше перцепције и наше интерпретације природних феномена, циљ нам је кроз употребу стандардних процедура и критеријума за смањење тих утицаја када се развија теорију. Као познати научник је једном рекао, “Паметни људи (попут паметних правника) може доћи до веома добрих објашњења за погрешне тачке гледишта.” Укратко, научни метод покушава да минимизира утицај пристрасности и предрасуда у огледа када Тестирање хипотеза или теорија.

I. Научни метод има четири корака

1. Посматрања и опис феномена или групе појава.

2. Формулисање хипотеза да објасни феномене. У физици, хипотеза често поприма облик механизма узрочно-последичне или математичке однос.

3. Коришћење хипотезе да предвиди постојање других феномена, или да квантитативно предвидети резултате нових запажања.

4. Обављање експерименталних тестова предвиђања неколико независних експериментаторима и правилно изведених експеримената.

Ако су експерименти потврђују хипотезу да може доћи до сматрати теорија или закона природе (више о концептима хипотеза, модела, теорији и закон испод). Ако се експерименти не потврђују хипотезу, она мора бити одбачена или модификовати. Оно што је кључно у опису научног метода само дати је предвидива моћ (способност да се више од теорије него си ставио у; види Барров, 1991) хипотезе или теорије, као што је тестирано експериментом. Често се каже у науци да теорије не може доказати, само оповргнути. Увек постоји могућност да ће нови посматрање или нови експеримент у супротности са дугогодишњим теорије.

II. Тестиранье хипотезе

Као што је управо наведено, експерименталне тестови могу довести или до потврде хипотезе, или одлуци из хипотезе. Научни метод захтева да хипотеза се искључити или модификовати уколико њени предвиђања су јасно и више пута неспојива са експерименталним испитивањима. Даље, без обзира колико елегантан теорија је, њене прогнозе мора да се сложи са експерименталним резултатима, ако желимо да верујемо да је то важи опис природе. У физици, као у свакој експерименталне науке, “експеримент је врховни” и експериментална верификација хипотетичких предвиђања је апсолутно неопходно. Експерименти могу да тестирају теорију директно (на пример, посматрање новог честице) или могу тестирати за последице изведених из теорије користећи математике и логике (стопа радиоактивног распада процеса захтијева постојање нове честице). Имајте на уму да је неопходност експеримента такође подразумева да је теорија мора бити тестирати. Теорије које не могу да се тестирају, јер, на пример, немају видљиве последице (као што су, честице чије карактеристике чине га неопсервабилан), не квалификују као научне теорије.

Уколико се пронађена предвиђања теорије дугогодишњи да бити у супротности са новим експерименталним резултатима, теорија може се одбацити као опис стварности, али може наставити да се примењује у ограниченом опсегу мјерљивих параметара. На пример, закони класичне механике (Њутнова закона) важе само ако су брзине од интереса много мања од брзине светлости (то јест, у алгебарског облику, када је в / в << 1). Пошто је ово у домену великог дела људског искуства, закони класичне механике су широко, корисно и исправно примењен у широком спектру технолошких и научних проблема. Ипак, у природи посматрамо домен у којем В / Ц није мала. Захтјеви објеката у овој области, као и кретања у “класичном” домена, су прецизно описани кроз једначина Ајнштајнове теорије релативитета. Ми верујемо, услед експерименталних тестова, да релативистички теорија даје више општи, а самим тим прецизније, опис принципа који регулишу наш свемир, него раније “класичне” теорије. Даље, налазимо да су Релативистичке једначине смањити на класичне једначине у рок В / Ц << 1. Слично томе, класична физика важи само на растојањима много већим од атомске скале (к >> 10^-8 м). Опис који је важећа на свим скалама дужине дат је једначина квантне механике.

Сви смо упознати са теоријама које су морали да буду одбачени у лице експерименталног доказа. У области астрономије, опис планетарних орбита земља средишту је срушила Цоперницус системом, у којем је Сунце смештен у центру низа концентричних, циркуларних планетарни орбити. Касније, ова теорија је модификован, као пронађени су мерења планета кретања да буде компатибилан са елиптични, не кружна, орбите, а још касније планетарно кретање је утврђено да извести из Њутнове законе.

Грешка у експериментима има неколико извора. Прво, ту је грешка својствена инструментима мерења. Јер је ова врста грешке има једнаку вероватноћу производњу мерење већи или мањи бројчано од “правог” вредности, то се зове случајна грешка. Друго, ту је не случајно или систематска грешка, због фактора који пристрасност резултат у једном правцу. Но мерење, па самим тим ни експеримент, може бити савршено прецизни. Истовремено, у науци имамо стандардне начине процене иу неким случајевима смањује грешке. Стога је важно да се утврди тачност одређене мере и, када наводећи квантитативне резултате, да цитирам грешку мерења. Мерење без цитира грешке је бесмислена. Поређење између експеримента и теорије врши у контексту експерименталних грешака. Научници аск, колико стандардне девијације су резултати теоријског предвиђања? Да ли су сви извори систематских и случајних грешака правилно процењује? Ово је дискутовано детаљније у додатку на Анализа грешака и на статистику Лаб 1.

III. Заједнички грешака у примени научних метода

Као што је већ речено, научни метод покушава да минимизира утицај пристрасности научника на исход експеримента. То је, приликом тестирања је хипотезу или теорију, научник може имати предност једном или другом исходу, а важно је да ова предност не пристрасности резултати и њихово тумачење. Најосновнији грешка је грешком хипотеза за објашњење феномена, без извођења експерименталне тестове. Понекад “здрав разум” и “логика” искуша нас у уверењу да је потребна никаква теста. Постоје бројни примери тога, датирају из грчких филозофа до данашњих дана.

Друга честа грешка је да се игноришу или искључити податке који не подржавају хипотезу. У идеалном случају, експериментатор је отворен за могућност да је хипотеза тачна или нетачна. Понекад, међутим, научник може имати јаку веру да је хипотеза тачна (или нетачно), или се осећа унутрашњи или спољни притисак да се одређени резултат. У том случају, може бити психолошки тенденција да нађу “нешто лоше”, као што је систематских ефеката, са подацима који не подржава очекивања научника, а подаци који се слажу са тим очекивањима не може да провери и пажљиво. Поука је да треба сви подаци се руковати на исти начин.

Друга честа грешка произлази из неуспеха да се процене квантитативно систематске грешке (и све грешке). Постоје многи примери открића које су које је пропустио експериментаторима чији се подаци садржани нови феномен, али ко је објаснити као систематски позадини. С друге стране, постоје многи примери наводно “нових открића” која се касније показало да је због системских грешака не обрачунавају од стране “Истраживачима.”

У области где постоји активно експериментисања и отворену комуникацију међу члановима научне заједнице, предрасуде појединаца или група могу поништити, јер експериментални тестови се понављају у различитим научника који могу имати различите предрасуде. Поред тога, различите врсте експерименталних подешавањима имају различите изворе системских грешака. Током периода која обухвата низ експерименталних испитивања (обично на најмање неколико година), консензус развија у заједници као којој експериментални резултати су стајали тест времена.

IV. Хипотеза, модели, теорије и закони

У физици и другим научним дисциплинама, речи “хипотеза”, “модел” “теорија” и “право” имају различите конотације у односу на фазу прихватања или знања о групи појава.

Хипотеза је ограничен изјаву о узроку и последици у одређеним ситуацијама; то се односи и на наше државе знања пре експериментални рад је извршена, а можда чак и пре него што нови феномени су предвидели. Да узмемо пример из свакодневног живота, претпоставимо да откријете да ваш аутомобил неће почети. Можда ћете рећи, “Мој ауто не почне, јер је батерија празна.” Ово је ваш први хипотеза. Затим можете проверити да ли су светла лево на, или ако је мотор даје посебан звук када окренете кључ за паљење. Можда сте проверили напон преко терминала батерије. Ако откријете да је батерија није мали, можда покушати да хипотезу ( “Стартер је покварен”; “Ово заиста није мој ауто.”)

Реч Модел је резервисан за ситуације када се зна да је хипотеза има барем ограниченим роком трајања. Често цитирани пример за то јесте Бор модел атома, у којем, у аналогно соларном систему, електрони су описане се креће у кружним путањама око језгра. Ово није тачан приказ онога што атом “личи”, али модел успева да математички представља енергију (али не тачан угаони моменти) од квантних стања електрона у најједноставнијем случају, атом водоника. Други пример је Закон Кука (који би требало да се зове принцип куку, или модел Кука), који наводи да је сила која делује од масе причвршћен на извору је пропорционалан количини опруга истеже. Знамо да је овај принцип важи само за мале количине истезање. “Закон” не када је опруга протезао изван његове еластичне границе (може сломити). Овај принцип, међутим, доводи до предвиђања простог хармоничног кретања, и, као модел понашања опруге, је свестрани у изузетно широком опсегу примена.

Научна теорија или закон представља хипотезу или групу повезаних хипотеза, која је потврђена кроз поновљених експерименталних тестова. Теорије у физици су често формулисана у смислу неколико концепата и једначина, које су идентификоване са “законима природе”, сугеришући њихово универзално употребљивост. Прихваћени научне теорије и закони постану део нашег разумевања универзума и основа за истраживање мање добро познају области знања. Теорије није лако одбацују; нова открића су први претпоставља да се уклопе у постојећи теоријски оквир. То је само када, након поновљених експерименталних испитивања, нови феномен не може бити смјештени да научници озбиљно доводе у питање теорију и покушати да га модификује.

Промене у научне мисли и теорије јављају, наравно, понекад револуцију наш поглед на свет (Кухн, 1962). Опет, кључна снага за промену је научни метод, а његов нагласак на експерименту.

V. Да ли постоје околности у којима је научни метод не важе?

Док је неопходан за развој научног сазнања научни метод, такође је корисно у свакодневном решавању проблема. Шта радите када се телефон не ради? Да ли је проблем у сету руке, каблова унутар куће, спајање напољу, или у раду телефонске компаније? Процес можда проћи да се реши овај проблем може да укључи научно мишљење, а резултати би у супротности своје почетне очекивања.

Као и сваки добар научник, можете у питање опсег ситуација (изван науке), у којој је научни метод може бити примењен. Из онога што је горе наведено, утврдимо да је научни метод најбоље функционише у ситуацијама у којима се може изоловати феномен интереса, елиминацијом или рачуноводство за спољним факторима, и где се више пута може тестирати систем под истраживања након што ограничене, контролисане промене у томе.

Постоје, наравно, околности када се не може изоловати појаве или када се не може поновити мерење изнова и изнова. У таквим случајевима резултати може да зависи делимично о историји ситуације. Ово се често јавља у социјалним интеракцијама међу људима. На пример, када је адвокат прави аргументе пред пороту у суду, он или она не може пробати и друге приступе понављањем суђења изнова и изнова испред истог жирија. У новом суђењу, састав жирија ће бити другачији. Чак је исти жири чује нови сет аргумената не може се очекивати да забораве оно што су раније чули.

VI. Закључак

Научни метод је нераскидиво повезана са науком, процес људског истраживања која прожима модерно доба на многим нивоима. Иако је метода чини једноставно и логично у опису, не постоји можда више сложено питање од тога да знамо колико смо сазнали ствари. У овом уводу смо нагласили да је научни метод разликује науку од других облика објашњење због свог захтева систематског експериментисања. Такође смо покушали да укаже на неке од критеријума и пракси развијених од стране научника да се смањи утицај појединца или друштвене предрасуде о научним сазнањима. Даља истраживања научног метода и другим аспектима научној пракси се могу наћи у референцама наведеним у наставку

VII. Референце

1. Wilson, E. Bright. An Introduction to Scientific Research (McGraw-Hill, 1952).

2. Kuhn, Thomas. The Structure of Scientific Revolutions (Univ. of Chicago Press, 1962).

3. Barrow, John. Theories of Everything (Oxford Univ. Press, 1991).