Die wissenschaftliche Methode bezieht sich auf Methoden zur Untersuchung von Phänomenen, zur Gewinnung neuer Erkenntnisse, zur Korrektur von Fehlern und Irrtümern und zur Überprüfung von Theorien.
Im Oxford English Dictionary heißt es, dass die wissenschaftliche Methode „eine Methode oder ein Verfahren ist, das die Naturwissenschaft seit dem 17. Jahrhundert kennzeichnet und in systematischer Beobachtung, Messung und Experiment sowie in der Formulierung, Prüfung und Änderung von Hypothesen besteht“.
Ein Wissenschaftler sammelt empirische und messbare Beweise und verwendet fundierte Argumente. Neues Wissen muss oft angepasst oder in vorheriges Wissen eingepasst werden.
Kriterium
Was eine wissenschaftliche Untersuchungsmethode auszeichnet, ist eine Frage, die als „das Kriterium“ bekannt ist. Es ist eine Antwort auf die Frage: Gibt es eine Möglichkeit zu erkennen, ob ein Konzept oder eine Theorie Wissenschaft ist, im Gegensatz zu einer anderen Art von Wissen oder Glauben? Es hat viele Ideen gegeben, wie dies ausgedrückt werden sollte. Die logischen Positivisten hielten eine Theorie für wissenschaftlich, wenn sie verifiziert werden konnte; Karl Popper hielt dies jedoch für einen Fehler. Seiner Meinung nach ist eine Theorie nicht wissenschaftlich, wenn es keine Möglichkeit gibt, sie zu widerlegen. Paul Feyerabend hingegen war der Meinung, dass es kein Kriterium gibt. Für ihn gilt „anything goes“, oder was immer funktioniert, funktioniert.
Wissenschaftler versuchen, die Realität für sich selbst sprechen zu lassen. Sie unterstützen eine Theorie, wenn sich ihre Vorhersagen bestätigen, und stellen sie in Frage, wenn sich ihre Vorhersagen als falsch erweisen. Wissenschaftliche Forscher stellen Hypothesen zur Erklärung von Phänomenen auf und entwerfen Experimente, um diese Hypothesen zu testen. Da große Theorien nicht direkt geprüft werden können, werden die aus der Theorie abgeleiteten Vorhersagen getestet. Diese Schritte müssen wiederholbar sein, um Fehler oder Verwechslungen durch einen bestimmten Experimentator auszuschließen.
Wissenschaftliche Untersuchungen sollen im Allgemeinen so objektiv wie möglich sein. Um voreingenommene Interpretationen der Ergebnisse zu vermeiden, veröffentlichen Wissenschaftler ihre Arbeit und tauschen so Daten und Methoden mit anderen Wissenschaftlern aus.
Stufen
Wissenschaft und Nicht-Wissenschaft (wie Pseudowissenschaft) werden oft danach unterschieden, ob sie die wissenschaftliche Methode anwenden. Einer der ersten, der eine Übersicht über die Schritte der wissenschaftlichen Methode erstellte, war John Stuart Mill.
Es gibt nicht die eine wissenschaftliche Methode, aber im Allgemeinen wird sie als eine Reihe von Schritten beschrieben:
- Stellen Sie sich eine Frage über die Welt. Jede wissenschaftliche Arbeit beginnt mit einer Frage oder einem Problem, das es zu lösen gilt.I, S. 9 Manchmal ist es für einen Wissenschaftler am schwierigsten, die richtige Frage zu finden. Die Frage sollte mit Hilfe eines Experiments beantwortet werden können.
- Erstellen Sie eine Hypothese – eine mögliche Antwort auf die Frage. Eine Hypothese in der Wissenschaft ist ein Wort, das „eine fundierte Vermutung darüber, wie etwas funktioniert“ bedeutet. Es sollte möglich sein, sie als richtig oder falsch zu beweisen. Eine Aussage wie „Blau ist eine bessere Farbe als Grün“ ist zum Beispiel keine wissenschaftliche Hypothese. Sie kann weder als richtig noch als falsch bewiesen werden. „Mehr Menschen mögen die Farbe Blau als Grün“ könnte jedoch eine wissenschaftliche Hypothese sein, weil man viele Menschen fragen könnte, ob sie Blau mehr mögen als Grün und eine Antwort in die eine oder andere Richtung erhalten könnte.
- Entwirf ein Experiment. Wenn die Hypothese wirklich wissenschaftlich ist, sollte es möglich sein, ein Experiment zu entwerfen, um sie zu testen. Ein Experiment sollte in der Lage sein, dem Wissenschaftler zu sagen, ob die Hypothese falsch ist; es darf ihm nicht sagen, ob die Hypothese richtig ist. Im obigen Beispiel könnte ein Experiment darin bestehen, viele Menschen nach ihren Lieblingsfarben zu fragen. Die Durchführung eines Experiments kann jedoch sehr schwierig sein. Was ist, wenn die wichtigste Frage, die man den Leuten stellen muss, nicht ist, welche Farben sie mögen, sondern welche Farben sie hassen? Wie viele Personen müssen befragt werden? Gibt es Möglichkeiten, die Frage so zu stellen, dass sich das Ergebnis in einer Weise ändert, die nicht erwartet wurde? Dies sind alles Fragen, die sich Wissenschaftler stellen müssen, bevor sie ein Experiment durchführen. Normalerweise wollen Wissenschaftler immer nur eine Sache auf einmal testen. Um das zu erreichen, versuchen sie, jeden Teil eines Experiments für alle gleich zu machen, außer für die Sache, die sie testen wollen.
- Experimentieren und Daten sammeln. Hier versucht der Wissenschaftler, das Experiment durchzuführen, das er zuvor entworfen hat. Manchmal kommen dem Wissenschaftler neue Ideen, während das Experiment läuft. Manchmal ist es schwierig zu wissen, wann ein Experiment zu Ende ist. Manchmal ist das Experimentieren sehr schwierig. Manche Wissenschaftler verbringen fast ihr ganzes Leben damit, zu lernen, wie man gute Experimente macht.
- Warum-Fragen. Erklärungen sind Antworten auf Warum-Fragen.II, S. 3
- Ziehe Schlussfolgerungen aus dem Experiment. Manchmal sind die Ergebnisse nicht einfach zu verstehen. Manchmal werfen die Experimente selbst neue Fragen auf. Manchmal können die Ergebnisse eines Experiments viele verschiedene Dinge bedeuten. All dies muss sorgfältig bedacht werden.
- Kommuniziere sie mit anderen. Ein Schlüsselelement der Wissenschaft ist die Weitergabe von Versuchsergebnissen, so dass andere Wissenschaftler das Wissen selbst nutzen können und die gesamte Wissenschaft davon profitiert. Normalerweise trauen Wissenschaftler einer neuen Behauptung nur dann, wenn andere Wissenschaftler sie zuvor geprüft haben, um sicherzustellen, dass sie nach echter Wissenschaft klingt. Dies wird als Peer Review bezeichnet (Peer“ bedeutet hier andere Wissenschaftler“). Arbeiten, die die Überprüfung durch Fachkollegen bestehen, werden in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht.
Obwohl es sich um eine Liste handelt, handelt es sich in Wirklichkeit um einen Zyklus: Ein Wissenschaftler kann ihn mehrmals durchlaufen, bevor er mit der Antwort zufrieden ist.
Nicht alle Wissenschaftler wenden die oben genannte „wissenschaftliche Methode“ bei ihrer täglichen Arbeit an. Manchmal sieht die tatsächliche Arbeit der Wissenschaft nicht so aus wie die oben beschriebene. Aber im Großen und Ganzen wird sie als eine gute Methode angesehen, um Dinge über die Welt herauszufinden, die verlässlich sind, und sie ist das von Wissenschaftlern am häufigsten verwendete Modell, um über wissenschaftliche Erkenntnisse nachzudenken.
Beispiel: Auflösen von Zucker in Wasser
Angenommen, wir wollen herausfinden, welchen Einfluss die Temperatur auf die Art und Weise hat, wie sich Zucker in einem Glas Wasser auflöst. Im Folgenden findest du eine Möglichkeit, dies zu tun, indem du der wissenschaftlichen Methode Schritt für Schritt folgst.
Ziel
Löst sich Zucker schneller in heißem oder kaltem Wasser auf? Hat die Temperatur einen Einfluss darauf, wie schnell sich der Zucker auflöst? Das ist eine Frage, die wir uns vielleicht stellen wollen.
Vorbereitung des Experiments
Ein einfaches Experiment wäre es, Zucker in Wasser mit verschiedenen Temperaturen aufzulösen und zu beobachten, wie lange es dauert, bis sich der Zucker auflöst. Dies wäre ein Test für die Idee, dass die Auflösungsgeschwindigkeit von der kinetischen Energie des Lösungsmittels abhängt.
Wir wollen sicherstellen, dass wir bei jedem Versuch genau die gleiche Menge Wasser und genau die gleiche Menge Zucker verwenden. Damit wollen wir sicherstellen, dass allein die Temperatur den Effekt verursacht. Es könnte z. B. sein, dass das Verhältnis von Zucker zu Wasser auch ein Faktor für die Auflösungsgeschwindigkeit ist. Um besonders vorsichtig zu sein, könnte man das Experiment auch so durchführen, dass sich die Wassertemperatur während des Versuchs nicht ändert.
Dies nennt man „Isolierung einer Variablen“. Das bedeutet, dass von den Faktoren, die einen Einfluss haben könnten, nur einer im Experiment verändert wird.
Das Experiment durchführen
Wir führen das Experiment in drei Versuchen durch, die bis auf die Temperatur des Wassers genau gleich sind.
- Wir geben genau 25 Gramm Zucker in genau 1 Liter Wasser, das fast so kalt wie Eis ist. Wir rühren nicht um. Wir stellen fest, dass es 30 Minuten dauert, bis sich der gesamte Zucker aufgelöst hat.
- Wir geben genau 25 Gramm Zucker in genau 1 Liter Wasser mit Zimmertemperatur (20 °C). Wir rühren nicht um. Wir stellen fest, dass es 15 Minuten dauert, bis sich der gesamte Zucker aufgelöst hat.
- Wir geben genau 25 g Zucker in genau 1 Liter warmes Wasser (50 °C). Wir rühren nicht um. Wir stellen fest, dass es 4 Minuten dauert, bis sich der gesamte Zucker aufgelöst hat.
Schlussfolgerungen ziehen
Eine Möglichkeit, die Ergebnisse leicht zu erkennen, besteht darin, eine Tabelle zu erstellen, in der alle Dinge aufgelistet sind, die sich bei jeder Durchführung des Experiments verändert haben. Unsere Tabelle könnte wie folgt aussehen:
| Temperatur | Auflösungszeit |
|---|---|
| 1 °C | 30 min |
| 20 °C | 15 min |
| 50 °C | 4 min |
Wenn alle anderen Teile des Experiments gleich waren (wir haben nicht einmal mehr Zucker verwendet als das andere Mal, wir haben weder das eine noch das andere Mal gerührt, usw.), dann wäre dies ein sehr guter Beweis dafür, dass Wärme einen Einfluss darauf hat, wie schnell sich der Zucker auflöst.
Wir können jedoch nicht sicher sein, dass es nicht noch etwas anderes gibt, das den Prozess beeinflusst. Ein Beispiel für eine verborgene Ursache könnte sein, dass sich Zucker schneller auflöst, wenn mehr Zucker in denselben Topf gegeben wird. Dies ist wahrscheinlich nicht der Fall, aber wenn es so wäre, könnten die Ergebnisse genau gleich sein: drei Versuche, und der letzte wäre der schnellste. Wir haben keinen Grund anzunehmen, dass dies zu diesem Zeitpunkt wahr ist, aber wir sollten es als eine weitere mögliche Antwort notieren.
Historische Aspekte
Elemente der wissenschaftlichen Methode wurden von einigen frühen Naturforschern ausgearbeitet.
- „Wir halten es für einen guten Grundsatz, die Phänomene durch die einfachste mögliche Hypothese zu erklären.“ Ptolemäus (85-165 n. Chr.). Dies ist ein frühes Beispiel für das, was wir Occams Rasiermesser nennen.
- Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) und Roger Bacon (1214-1294) machten alle einige Fortschritte bei der Entwicklung der wissenschaftlichen Methode.
- Es dauerte jedoch bis zum 17. Jahrhundert, bis man sich darauf einigte, dass die experimentelle Methode der wichtigste Weg zur Wahrheitsfindung sei. Dies geschah in Westeuropa durch Männer wie Galilei, Kepler, Hooke, Boyle, Halley und Newton. Zur gleichen Zeit wurden das Mikroskop und das Teleskop erfunden (beide in Holland), und die Royal Society wurde gegründet. Beide Instrumente und Gesellschaften haben der Wissenschaft sehr geholfen.
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Ibn al-Haytham (Alhazen), 965-1039 Irak. Ein Universalgelehrter, der aufgrund seiner Betonung experimenteller Daten und der Reproduzierbarkeit ihrer Ergebnisse von einigen als Vater der modernen wissenschaftlichen Methodik angesehen wird.
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Johannes Kepler (1571-1630). „Kepler beweist seinen scharfen logischen Verstand, indem er den gesamten Prozess, durch den er schließlich zur wahren Umlaufbahn gelangte, detailliert beschreibt. Dies ist das größte Stück retroduktiven Denkens, das je vollbracht wurde.“ – C. S. Peirce, ca. 1896, über Keplers Argumentation durch erklärende Hypothesen
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Aristoteles, 384 v. Chr. – 322 v. Chr. „Was seine Methode betrifft, so wird Aristoteles als Erfinder der wissenschaftlichen Methode anerkannt, weil er die logischen Implikationen, die in der demonstrativen Rede enthalten sind, auf raffinierte Weise analysiert hat, die weit über die natürliche Logik hinausgeht und denjenigen, die vor ihm philosophiert haben, nichts schuldet.“ – Riccardo Pozzo
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Nach Morris Kline „verdankt die moderne Wissenschaft ihre gegenwärtige Blütezeit einer neuen wissenschaftlichen Methode, die fast ausschließlich von Galileo Galilei (1564-1642) entwickelt wurde“. Dudley Shapere sieht den Beitrag Galileis etwas differenzierter.
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