Tieteellisellä menetelmällä tarkoitetaan tapoja tutkia ilmiöitä, saada uutta tietoa, korjata virheitä ja erehdyksiä sekä testata teorioita.
Oxford English Dictionary sanoo, että tieteellinen menetelmä on: ”menetelmä tai menettelytapa, joka on luonnehtinut luonnontiedettä 1600-luvulta lähtien ja joka koostuu systemaattisesta havainnoinnista, mittaamisesta ja kokeesta sekä hypoteesien laatimisesta, testaamisesta ja muuttamisesta.”
Tiedemies kerää empiiristä ja mitattavissa olevaa todistusaineistoa ja käyttää järkevää päättelyä. Uutta tietoa on usein mukautettava tai sovitettava aiempaan tietoon.
Kriteeri
Tieteellisen tutkimusmenetelmän erottaa kysymys, jota kutsutaan ”kriteeriksi”. Se on vastaus kysymykseen: Onko olemassa tapa sanoa, onko jokin käsite tai teoria tiedettä, toisin kuin jonkin muunlainen tieto tai uskomus? On esitetty monia ajatuksia siitä, miten se pitäisi ilmaista. Loogiset positivistit pitivät teoriaa tieteellisenä, jos se voidaan todentaa, mutta Karl Popperin mielestä tämä oli virhe. Hänen mielestään teoria ei ole tieteellinen, ellei se ole jollain tavalla kumottavissa. Toisaalta Paul Feyerabend ajatteli, ettei kriteeriä ole olemassa. Hänelle ”anything goes” eli mikä tahansa toimii, se toimii.
Tutkijat yrittävät antaa todellisuuden puhua puolestaan. He tukevat teoriaa, kun sen ennusteet vahvistuvat, ja kyseenalaistavat sen, kun sen ennusteet osoittautuvat vääriksi. Tieteelliset tutkijat tarjoavat hypoteeseja ilmiöiden selityksiksi ja suunnittelevat kokeita näiden hypoteesien testaamiseksi. Koska suuria teorioita ei voida testata suoraan, se tehdään testaamalla teoriasta johdettuja ennusteita. Näiden vaiheiden on oltava toistettavissa, jotta vältytään yksittäisen kokeen suorittajan tekemiltä virheiltä tai sekaannuksilta.
Tieteellisen tutkimuksen on yleensä tarkoitus olla mahdollisimman objektiivista. Tulosten puolueellisten tulkintojen vähentämiseksi tutkijat julkaisevat työnsä ja jakavat näin tietoja ja menetelmiä muiden tutkijoiden kanssa.
Vaiheet
Tiede ja asiat, jotka eivät ole tiedettä (kuten pseudotiede), erotetaan usein sen perusteella, käytetäänkö niissä tieteellistä menetelmää. Yksi ensimmäisistä ihmisistä, joka loi hahmotelman tieteellisen menetelmän vaiheista, oli John Stuart Mill.
Ei ole olemassa yhtä ainoaa tieteellistä menetelmää, mutta yleensä se kirjoitetaan yleensä useina vaiheina:
- Keksi kysymys maailmasta. Kaikki tieteellinen työ alkaa siitä, että on kysymys, jonka voi esittää, tai ongelma, jonka voi ratkaista.” I, s. 9. Joskus vain oikean kysymyksen keksiminen on tiedemiehelle vaikeinta. Kysymykseen pitäisi pystyä vastaamaan kokeen avulla.
- Luo hypoteesi – yksi mahdollinen vastaus kysymykseen. Hypoteesi on tieteessä sana, joka tarkoittaa ”valistunut arvaus siitä, miten jokin toimii”. Se olisi voitava todistaa oikeaksi tai vääräksi. Esimerkiksi väite ”Sininen on parempi väri kuin vihreä” ei ole tieteellinen hypoteesi. Sitä ei voida todistaa oikeaksi tai vääräksi. ”Useammat ihmiset pitävät sinisestä väristä kuin vihreästä” voisi kuitenkin olla tieteellinen hypoteesi, koska voitaisiin kysyä monilta ihmisiltä, pitävätkö he sinisestä enemmän kuin vihreästä, ja saada vastaus suuntaan tai toiseen.
- Suunnittele koe. Jos hypoteesi on todella tieteellinen, pitäisi olla mahdollista suunnitella koe sen testaamiseksi. Kokeen pitäisi pystyä kertomaan tutkijalle, jos hypoteesi on väärä; se ei välttämättä kerro, onko hypoteesi oikea. Yllä olevassa esimerkissä kokeessa voitaisiin kysyä monilta ihmisiltä, mitkä ovat heidän lempivärinsä. Kokeen tekeminen voi kuitenkin olla hyvin vaikeaa. Entä jos tärkein kysymys, joka ihmisiltä kannattaa kysyä, ei olekaan se, mistä väreistä he pitävät, vaan se, mitä värejä he vihaavat? Kuinka monelta ihmiseltä on kysyttävä? Onko olemassa tapoja kysyä kysymys, jotka voisivat muuttaa tulosta odottamattomalla tavalla? Tällaisia kysymyksiä tiedemiesten on kysyttävä, ennen kuin he tekevät kokeen ja toteuttavat sen. Yleensä tutkijat haluavat testata vain yhtä asiaa kerrallaan. Tätä varten he pyrkivät tekemään kokeen jokaisesta osasta saman kaikille muille paitsi sille asialle, jota he haluavat testata.
- Koe ja kerää tiedot. Tässä tutkija yrittää suorittaa aiemmin suunnittelemansa kokeen. Joskus tiedemies saa uusia ideoita kokeen edetessä. Joskus on vaikea tietää, milloin koe on lopullisesti ohi. Joskus kokeiden tekeminen on hyvin vaikeaa. Jotkut tiedemiehet viettävät suurimman osan elämästään opettelemalla, miten tehdä hyviä kokeita.
- Miksi-kysymyksiä. Selitykset ovat vastauksia miksi-kysymyksiin. II, s3
- Tee johtopäätöksiä kokeesta. Joskus tuloksia ei ole helppo ymmärtää. Joskus kokeet itsessään avaavat uusia kysymyksiä. Joskus kokeen tulokset voivat tarkoittaa monia eri asioita. Kaikkia näitä on pohdittava huolellisesti.
- Kerro niistä muille. Keskeinen osa tiedettä on kokeiden tulosten jakaminen, jotta muut tutkijat voivat sitten itse käyttää tietoa ja koko tiede voi hyötyä siitä. Yleensä tiedemiehet eivät luota uuteen väitteeseen, elleivät muut tiedemiehet ole ensin tarkastaneet sitä varmistaakseen, että se kuulostaa oikealta tieteeltä. Tätä kutsutaan vertaisarvioinniksi (”vertainen” tarkoittaa tässä yhteydessä ”muita tiedemiehiä”). Vertaisarvioinnin läpäisseet työt julkaistaan tieteellisessä aikakauslehdessä.
Vaikka tämä on kirjoitettu luetteloksi, kyseessä on todellisuudessa sykli: tiedemies saattaa kiertää sen useita kertoja ennen kuin on tyytyväinen vastaukseensa.
Eivät kaikki tiedemiehet käytä edellä mainittua ”tieteellistä menetelmää” jokapäiväisessä työssään. Joskus varsinainen tieteellinen työ ei näytä lainkaan edellä kuvatulta. Mutta kaiken kaikkiaan sitä pidetään hyvänä menetelmänä, jonka avulla maailmasta saadaan selville asioita, jotka ovat luotettavia, ja se on tiedemiesten eniten käyttämä malli tieteellisen tiedon ajatteluun.
Esimerkki: sokerin liukeneminen veteen
Esitettäköön, että aiomme selvittää lämpötilan vaikutusta siihen, miten sokeri liukenee vesilasiin. Alla on yksi tapa tehdä tämä tieteellistä menetelmää askel askeleelta noudattaen.
Tavoite
Liukeneeko sokeri nopeammin kuumaan vai kylmään veteen? Vaikuttaako lämpötila siihen, kuinka nopeasti sokeri liukenee? Tätä kysymystä voisimme kysyä.
Kokeen suunnittelu
Yksi yksinkertainen koe olisi liuottaa sokeria eri lämpötiloissa olevaan veteen ja seurata, kuinka kauan sokerin liukenemiseen kuluu aikaa. Tällä testattaisiin ajatusta siitä, että liukenemisnopeus vaihtelee liuottimen liike-energian mukaan.
Haluamme varmistaa, että jokaisessa kokeessa käytetään täsmälleen sama määrä vettä ja täsmälleen sama määrä sokeria. Teemme näin varmistaaksemme, että pelkästään lämpötila aiheuttaa vaikutuksen. Voi esimerkiksi olla, että myös sokerin ja veden suhde vaikuttaa liukenemisnopeuteen. Ollaksemme erityisen varovaisia saatamme myös suorittaa kokeen niin, että veden lämpötila ei muutu kokeen aikana.
Tätä kutsutaan ”muuttujan eristämiseksi”. Tämä tarkoittaa sitä, että niistä tekijöistä, joilla voi olla vaikutusta, vain yhtä muutetaan kokeessa.
Kokeen suorittaminen
Tehdään koe kolmessa kokeessa, jotka ovat täsmälleen samanlaisia veden lämpötilaa lukuun ottamatta.
- Pannaan täsmälleen 25 grammaa sokeria täsmälleen yhteen litraan lähes jääkylmää vettä. Emme sekoita. Huomaamme, että kestää 30 minuuttia ennen kuin kaikki sokeri on liuennut.
- Pannaan tasan 25 grammaa sokeria tasan 1 litraan huoneenlämpöistä vettä (20 °C). Emme sekoita. Huomaamme, että kestää 15 minuuttia ennen kuin kaikki sokeri on liuennut.
- Pannaan tasan 25 grammaa sokeria tasan 1 litraan lämmintä vettä (50 °C). Emme sekoita. Huomaamme, että kestää 4 minuuttia ennen kuin kaikki sokeri on liuennut.
Johtopäätösten tekeminen
Yksi tapa, joka helpottaa tulosten tarkastelua, on tehdä niistä taulukko, jossa luetellaan kaikki asiat, jotka muuttuivat joka kerta, kun suoritimme kokeen. Meidän taulukkomme voisi näyttää tältä:
| Lämpötila | Liuotusaika |
|---|---|
| 1 °C | 30 min |
| 20 °C | 15 min |
| 50 °C | 4 min |
Jos kaikki muut kokeen osat olivat samat (emme käyttäneet yhdellä kertaa enemmän sokeria kuin toisella, emme sekoittaneet kertaakaan jne.), niin tämä olisi erittäin hyvä todiste siitä, että lämpö vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti sokeri liukenee.
Emmekä kuitenkaan voi olla varmoja siitä, ettei jokin muu asia vaikuta. Esimerkki piilevästä syystä voisi olla se, että sokeri liukenee nopeammin aina kun samaan kattilaan liuotetaan lisää sokeria. Tämä ei luultavasti pidä paikkaansa, mutta jos näin olisi, se voisi tehdä tuloksista täsmälleen samat: kolme kokeilua, ja viimeinen olisi nopein. Meillä ei ole tällä hetkellä mitään syytä uskoa, että tämä on totta, mutta haluamme ehkä huomioida sen toisena mahdollisena vastauksena.
Historiallisia näkökohtia
Tieteellisen metodin elementtejä kehittelivät eräät varhaiset luonnonopiskelijat.
- ”Pidämme hyvänä periaatteena selittää ilmiöt yksinkertaisimman mahdollisen hypoteesin avulla.” Ptolemaios (85-165 jKr.). Tämä on varhainen esimerkki siitä, mitä kutsumme Occamin partaveitseksi.
- Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) ja Roger Bacon (1214-1294) edistyivät kaikki jonkin verran tieteellisen metodin kehityksessä.
- Kokeellinen metodi sovittiin kuitenkin tärkeimmäksi tavaksi totuuden selvittämiseen vasta 1600-luvulla. Tämän tekivät Länsi-Euroopassa sellaiset miehet kuin Galileo, Kepler, Hooke, Boyle, Halley ja Newton. Samaan aikaan keksittiin mikroskooppi ja kaukoputki (molemmat Hollannissa) ja perustettiin Royal Society. Sekä välineet että seurat auttoivat tiedettä suuresti.
Sivut
- Väärennettävyys
- Tieteiden filosofia
- Sokea koe
Kuvia lapsille
-
Ibn al-Haytham (Alhazen), 965-1039 Irak. Polymaatikko, jota jotkut pitävät modernin tieteellisen metodologian isänä, koska hän painotti kokeellista tietoa ja sen tulosten toistettavuutta.
-
Johannes Kepler (1571-1630). ”Kepler osoittaa terävää loogista aistiaan kuvaillessaan yksityiskohtaisesti koko sen prosessin, jonka avulla hän lopulta päätyi todelliseen kiertorataan. Tämä on kaikkien aikojen suurin pala retroduktiivista päättelyä.” – C. S. Peirce, n. 1896, Keplerin päättelystä selittävien hypoteesien avulla
-
Aristoteles, 384 eaa – 322 eaa. ”Mitä tulee hänen metodiinsa, Aristoteles tunnustetaan tieteellisen metodin keksijäksi, koska hän analysoi hienostuneesti havainnollistavaan diskurssiin sisältyviä loogisia implikaatioita, jotka menevät paljon pidemmälle kuin luonnollinen logiikka eikä ole mitään velkaa häntä edeltäneille filosofeille.” – Riccardo Pozzo
-
Morris Kline sanoo: ”Nykyaikainen tiede on nykyisen kukoistuksensa velkaa uudelle tieteelliselle metodille, jonka muotoili lähes kokonaan Galileo Galilei” (1564-1642). Dudley Shapere suhtautuu Galileon panokseen maltillisemmin.
-
Lentogallup väärennetty; ks. kuva alla
-
Muybridgen valokuvien The Horse in Motion (Hevonen liikkeessä) vuodelta 1878 avulla haettiin vastausta kysymykseen, ovatko gallupissa olevan hevosen kaikki neljä jalkaa koskaan irti maasta yhtä aikaa. Tämä osoittaa valokuvauksen käyttöä tieteessä.
-
..2.. DNA-hypoteesit
-
Periheli (liioiteltu)
-
..1. DNA-ominaisuudet
-
…DNA Esimerkki
.