20.3: Наукові методи

Немає нічого таємничого або навіть особливо незвичайного в тому, що роблять вчені. Існує безліч способів роботи над науковими проблемами. Всі вони вимагають здорового глузду. Крім того, всі вони демонструють певні риси, які особливо - але не однозначно - характерні для науки.

Наприклад:

• Скептицизм. Хороші вчені використовують висококритичні стандарти при оцінюванні доказів. Вони підходять до даних, претензій і теорій (в ідеалі, навіть свої!) зі здоровими дозами скептицизму.
• Толерантність до невизначеності. Вчені часто працюють роками - іноді протягом цілої кар'єри - намагаючись зрозуміти одну наукову проблему. Це часто включає в себе знаходження фактів, які протягом певного часу не вписуються в будь-яку цілісну модель і які навіть можуть підтримувати взаємно суперечливі пояснення.

Іноді, коли людина слухає вчених, енергійно захищаючи свої погляди, їх впевненість здається абсолютною. Але глибоко в своїх серцях вони знають, що їхні погляди ґрунтуються на ймовірностях і що новий доказ може з'явитися в будь-який час і змусити серйозну зміну їхніх поглядів.

• Хоча вони, безумовно, не мають монополії на важку працю, їх готовність працювати довгі години і роки, переслідуючи проблему, є ознакою всіх хороших вчених. Для науки - це важка праця.
• Перш ніж переживати розчарування - загартовані випадковими радощами - відривати більше секретів від природи, ви повинні вивчити основи, на яких базується ваша тема.

Хоча наукові методи настільки ж різноманітні, як і сама наука, існує закономірність того, як вчені йдуть у своїй роботі.

Наукові досягнення починаються зі спостережень.

• Перепис представників виду в деякому середовищі існування - це спостереження.
• Показання на дисплеї лабораторного приладу є спостереженнями.

Але наука - це більше, ніж каталог фактів. Мета науки - знайти пояснення того, чому факти такі, якими вони є. Таке пояснення є гіпотезою.

Тестування гіпотез

Хороша гіпотеза відповідає декільком стандартам:

1. Вона повинна дати адекватне пояснення спостережуваних фактів.
2. Якщо дві або більше гіпотез відповідають цьому стандарту, краща більш проста.
3. Вона повинна вміти передбачати нові факти.

Так що якщо узагальнення є дійсним, то з нього можна вивести певні конкретні наслідки. Одне з найбільш захоплюючих подій в науці - передбачити результати ще не виконаного експерименту, якщо гіпотеза дійсна, а потім виконати експеримент.

Нульова гіпотеза

Експериментальна біологія часто передбачає встановлення експериментального лікування і - в той же час - контролю. Потім порівнюють результати експериментального лікування з результатами в контролі. Якщо є різниця, яка ймовірність того, що це пов'язано лише з випадковістю; тобто експериментальне лікування дійсно не мало ефекту?

Гіпотеза про те, що експериментальне лікування не мало ефекту, називається нульовою гіпотезою. Більшість працівників вважають, що якщо ймовірність (позначена p) спостережуваної різниці менше 1 з 20 (p = <0,05), то нульова гіпотеза спростовується і спостережувана різниця значна. Але значущість не є доказом. Насправді, гіпотези ніколи не можуть бути доведені як абсолютно «істинні» - це сенс, який може теорема в геометрії. Найбільш ми можемо сказати, що існує велика ймовірність того, що гіпотеза дає дійсне пояснення досліджуваного явища.

Гіпотези, які підкріплені багатьма спостереженнями, називаються теоріями. Отже, на відміну від деяких областей людської думки, наука ніколи не може довести, що теорія є «істинною». Але це може показати, що теорія помилкова. Щоб орієнтовний характер науки не змусив вас втратити довіру до неї, подумайте про те, що створила наука. Безліч досягнень наукових методів, незважаючи на відсутність абсолютної впевненості, були добре виражені в сонеті «Парадокс» покійним математиком Кларенсом Уайлі-молодшим.

Не правда, ні впевненість. Ці я передбачав

У моєму новіціате, як називали юнаки

До святих наказів повинен злякати світ.

«Якщо..., то...», це тільки я стверджую;

І мої успіхи, але досить ланцюги

Пов'язуючи сумніви близнюків, бо марно запитати

Якщо те, що я постулюю, виправдано,

Або те, що я довів, мають печатку факту.

Все ж мости стоять, і чоловіки більше не повзають

У двох вимірах. І такі тріумфи стовбур

У чималій мірі від сили цієї гри,

Грав з тричі ослабленими відтінками

З речей, має над своїми оригіналами.

Як крихка паличка, але як глибокий заклинання!

Відтворюваність наукової роботи

Єдиною особливістю, яка найбільш характерна для науки, є її відтворюваність. Якщо вчені не можуть дублювати свої перші результати, вони змушені зробити висновок, що вони були недійсними. Така проблема виникає часто. Його причиною зазвичай є якийсь невизнаний, а отже, і неконтрольований фактор в експерименті (наприклад, невизнана варіація властивостей різних партій матеріалів, використовуваних в експерименті). При удачі неможливість відтворювати експерименти відкриють ті ж вчені, які робили перші експерименти. Ось чому вчені, як правило, повторюють свої експерименти кілька разів, перш ніж повідомляти про них у науковій роботі.

В інших випадках працівники іншої лабораторії не в змозі забезпечити ті ж результати, коли вони повторюють експерименти, які були опубліковані, або, частіше, проводять експерименти, призначені для перенесення дослідження в нові області, але вони зазнають невдачі через недолік в оригінальних експериментах. Коли це станеться, всі зацікавлені сторони повинні зібратися разом, щоб побачити, чи можуть вони з'ясувати, чому їх результати відрізняються.

• Часто мова йде просто про те, щоб не використовувати точно такі ж матеріали і методи.
• Іноді, однак, може бути виявлений серйозний недолік в дизайні і/або виконанні оригінальних експериментів.
• І іноді виявляється неможливим з'ясувати, чому експерименти, які колись здавалися, вже не роблять цього.

У будь-якому з цих випадків слід повідомити про непідтвердження експериментів. Хоча це гостро бентежить для початкових дослідників, воно є однією з великих сильних сторін науки: її вбудована система самокорекції.

Наукове шахрайство

У переважній більшості випадків невідтворювані результати в науці викликані чесними помилками. Однак у рідкісних випадках лабораторні звіти не можуть бути підтверджені, оскільки вони є шахрайськими. Це засмучує всіх зацікавлених. Якщо таке шахрайство стане широко відомим, це також, ймовірно, викличе великий ажіотаж серед широкої громадськості. Однак я вважаю, що замість того, щоб кидати хмару над науковим підприємством, ці рідкісні аберації виявляють його велику силу.

Напевно, немає іншої сфери людської діяльності, де помилка виявляється і виправляється швидше. Я впевнений, що можна придумати ряд інших сфер людського вивчення та діяльності, де були допущені помилки, які роками не виправлялися і завдали великої шкоди. Нечесні вчені зазвичай шкодять тільки собі. Вони зганьблені; їх кар'єра часто закінчується. Але прогрес науки зазвичай рухається вперед так само швидко, як (іноді швидше, ніж) раніше.

Спираючись на роботу інших

Лише рідко наукове відкриття весняне повномасштабне на сцені. Коли це станеться, це, швидше за все, створить революцію в тому, як вчені сприймають навколишній світ і відкриє нові напрямки наукових досліджень. Теорія еволюції Дарвіна і правила спадкування Менделя є прикладами таких революційних розробок.

Більшість науки, однак, полягає в додаванні ще однієї цегли до будівлі, яка була повільно і ретельно побудована попередньою роботою. Насправді можна побудувати генеалогічне дерево, яке простежує історичний розвиток будь-якого наукового відкриття (навіть, до певної міри, Дарвіна і Менделя). Те, як наука будує на роботі інших, є ще однією ілюстрацією того, що таке наука про комунальну діяльність.

Розвиток нової методики часто закладає основу для швидкого прогресу по багатьох різних наукових напрямках. Просто врахуйте досягнення в біології, що відкриття світлового мікроскопа, а пізніше електронного мікроскопа стало можливим. На цих сторінках є багато прикладів експериментальних процедур. Кожна розроблялася для вирішення тієї чи іншої проблеми. Однак кожен був тоді взятий працівниками інших лабораторій і застосовувався до своїх проблем.

Подібним чином створення нового пояснення (гіпотези) у науковій галузі часто стимулює працівників у суміжних галузях переглянути власну сферу у світлі нових ідей. Теорія еволюції Дарвіна, наприклад, мала величезний вплив практично на кожну підспеціальність біології (і в інших галузях, а також). До цього дня біологи за такими різними спеціальностями, як біохімія і поведінка тварин, керуються в своїй роботі еволюційною теорією.

Базові та прикладні науки

Різниця між фундаментальною та прикладною наукою є скоріше однією з цілей, ніж методами. До кожного діють одні й ті ж правила і стандарти. Однак мотивація, що стоїть за роботою, дещо інша. Дослідники в області прикладної науки мають перед собою практичну проблему, яку потрібно вирішити. Значна частина досліджень, які продовжуються в медицині та сільському господарстві, застосовується. Дослідник фундаментальної науки, з іншого боку, в першу чергу рухається цікавістю - бажанням дізнатися більше про те, як працює природа. Обидва види досліджень є не тільки почесними і вимогливими професіями, але і взаємозалежними.

• Прикладна наука неодноразово втрачає оберти без періодичних вливань свіжих ідей і відкриттів з фундаментальних досліджень. (Лампочка ніколи б не була виявлена у відділі досліджень та розробок (R та D) виробника свічок!)
• З іншого боку, багато фундаментальних досліджень залежало від розробки нових інструментів та інструментів, і найчастіше вони були розроблені в лабораторіях, присвячених прикладним дослідженням.