Методите на науката. НВ Експериментът. Чайникът на Ръсел.

Какво отличава цивилизования човек от дивака?

Според Бъртранд Ръсел това, което различава мисленето на един цивилизован човек от нецивилизования е способността за предвиждане на събитията. Затова началото на цивилизацията се бележи от появата на земеделието, което изисква прогноза и търпение - да засееш през пролетта, за да имаш какво да ядеш зимата, да се въздържиш сега, дори да изтърпиш страдания, в името на бъдеща сигурност и благоденствие.

Илюстрация ancient-egypt.info

Този скок в развитието на мисленето е свързан с възникването на качества като благоразумие, самоконтрол и рационалност, защото от земеделието не постигаш незабавен ефект и удоволствие, както е при лова например. Подобно на земеделието, науката също не дава "незабавен ефект". Науката е продължение на процеса на цивилизоване и негова съществена част, тя не е само натрупване на знания и факти, тя изисква систематизацията им, налага правила. От нея се изисква не само да обясни света, но и да предвижда резултатите от явленията в природата.

Различните пътища до истината - различни начини на мислене

Начинът на мислене е инструментът, който ни помага да определим кое е истина и кое лъжа, да изберем тази идея, хипотеза, теория, мироглед, които ни предлагат максимална степен на предвидимост. Различните методи на мислене можем да обобщим в:

• метод на позоваване на авторитета;
• метод на интуицията - разчитаме на чувствата да ни посочат кое е вярно;
• метод на рационалното, логическо мислене

Научният метод не е от вчера и често несъзнателно го използваме във всекидневието си. Ще използвам един забавен пример от "Поглед напред" на Кийс и Фреско:

Представете си група пещерни хора, седящи на брега на река и спорещи дали Онк или Донк може да бяга по-бързо. Те вероятно ще използват всички методи на мислене, които описахме по-горе. Може да поискат мнението на мъдреците на племето (обръщане към авторитета). Вероятно ще спорят и спорят (използване на логика). Онк има по-големи мускули, но Донк има по-дълги крака и т.н. Думите ще се вихрят безкрайно. Вероятно някоя от жените ще се опита да използва интуицията си и да избере мъжа, който бяга по-бързо... Никой от горните методи за уреждане на спора не може да се нарече научен. Думите се въртят и въртят, раздразнението се повишава и повишава, но всичко това няма почти нищо общо с проблема кой може да тича по-бързо. И накрая някой малък гений, стоящ на някой клон, ще прекъсне потящите се хора под него: „Защо не ги накараме да бягат до големия дъб ей там и да видим кой е по-бърз?“. Този гений предлага метод за уреждане на спора, който вероятно ще позволи на повечето разумни хора да достигнат до споразумение. Това е научният метод.

Галилей. Истината се установява с опит.

Всеки метод на мислене е добър, но окончателен избор трябва да се взима след проверка. Например Аристотел е смятал, че по-тежките тела падат по-бързо от по-леките. Това му изглеждало очевидно и естествено, т.е. основава се на интуиция, а също е и логично - Тежестта кара нещата да падат и следователно колкото по-голяма е тя, толкова по-бързо ще е падането. И векове след Аристотел, хората са приемали това твърдение на вяра (метод на позоваване на авторитета).

Галилей е първият, на който му хрумва, че това може да се провери опитно. Според легендата е хвърлял тела с различна маса от знаменитата наклонената кула в Пиза. Това може и да не е вярно, но в края на краищата той е установил, че телата падат с еднакво ускорение, независимо от теглото си, ако се пренебрегне съпротивлението на въздуха. Освен това, Галилей успява да обобщи резултатите от опитите си в математическа формула - така той определя пътя за развитие на модерната наука като комбинация от математика и експериментални доказателства. В една от своите книги той пише:

• Законите на вселената са написани с езика на математиката и неговите букви са триъгълниците, кръговете и други геометрични фигури.
• или една наука става наука, когато в нея влезе математиката. Може да се каже, че Галилей въвежда научния метод за изучаване на света.

Що е то научен метод

Мнозина свързват научния метод с бели престилки, лаботории и епруветки, но Чарлз Дарвин не е имал лаборатория - цялата природа е била негова лаборатория. Научният метод е отношението всичко да се тества, независимо колко правилна изглежда някоя идея, тя трябва упорито и безпристрастно да се проверява.

В епистемологията (философията за науката) дълго са се водили спорове кой метод има приоритет - индуктивния, когато осмислянето на наблюдаваните факти ще доведат до хипотеза или дедуктивния, когато първо се ражда новата идея. И в двата случая решаващ е теста - чрез експерименти и/или наблюдения.

В случая ще ви представя научния метод чрез индукция.

Етап 1: Наблюдение (изследване) и формулиране на въпрос

Наблюдението в науката, описването на проблема, за разлика от наблюдението, предизвикало въпроса за същността на явлението, трябва да е прецизно и подробно документирано така, че всеки, който поиска, да може да го повтори. Резултат от наблюдението е описание на естествен или математичен език, с диаграми, графики, таблици, схеми и др. Наблюдението е свързано с измерване като резултатът са числа в приетите мерни единици.

Възможни грешки и отклонения. Парадокси на наблюдателя:

Илюстрация: bgchaos, по идея на codehost

Нашите сетива са несъвършени и оценката на възпиеманото е субективно пречупена, затова е необходимо да се ползват прецизни измервателни уреди. В обществените и хуманитарните науки, резултатите в по-голяма степен зависят от личността на наблюдателя, неговите разбирания и принципи. В релативистичната физика, при скорости, близки до скоростта на светлината, различните наблюдатели могат да наблюдават различни стойности за дължина, време, маса и други, в зависимост от скоростта на наблюдателя спрямо обекта - Ефектът забавяне на времето и скъсяване на дължините. При наблюдение на такива явления, винаги трябва да се уточни дали се движи наблюдателят, неговата отправна система. Всяко наблюдение на свръхмалките обекти в квантовата механика, съгласно принцип на неопределеността на Хайзенберг, не е възможно без да се промени системата.

Въпросът

Най-важното на този етап е да се зададе правилния въпрос. Например въпросът "Защо?" трябва да се отнася до причините, довели до явлението, а не целта или смисъла - това би насочило последващите опити за обяснение в непроверями области като етиката. Друг точен научен въпрос е "Как?". Естествено, на този етап трябва да се провери дали някой вече не е дал отговор на въпроса ни и дали той е удовлетворителен, както и да се изучи опита на други изследователи. Нерядко се случва да се преразглеждат вече дадени отговори на научни въпроси.

Пример: Научният подход може да се прилага нерядко несъзнателно и в ежедневието ни. Телефонът ни не работи. Задаваме въпроса "Защо?" и търсим причините. Ако си зададем въпроса "Каква е целта да не работи?" или "Кой има полза от това?", отиваме в областта на параноята.

Етап 2: Формулиране на хипотеза за обяснение на явленията

Хипотезата е недоказано, но обосновано предположение, което може да обясни наблюдаваното явление, въз основа на знанията, получени при предишния етап. За да се спестят усилия по проверката й, е необходимо хипотезата да е правдоподобна. Не еса установени точни правила за изграждане на хипотеза - тук може да се използва и интуиция, и вдъхновение. Ако се потвърди, се превръща теория, ако не - отива в раздел "лъжи и заблуди". Ако още не е проверена, нито опровергана, а това е временно положение - хипотезата е работна и открита.

Какво прави една хипотеза научна?

• да може да се провери(тества): да съществуват опити, които могат да я докажат. Хипотези, които не могат да бъдат тествани, защото нямат явни последици (например, една частица, чиито характеристики саненаблюдаеми), не се определят като научни.

  Пример: Хипотезата: "Телефонът не работи, защото му е паднала батерията". Съществува опит, включвайки го да се зарежда да се потвърди или опровергае хипотезата.

• възможност за възпроизвеждане

Това означава, че в целия си обем научните твърдения трябва да са на разположение за проверка и възпроизвеждане от други учени. Затова описанието на научните изследвания трябва да е пълно и еднозначно. Хипотези, които не могат нито да се проверят, нито да възпроизведат, са ненаучни.

• критерий на Попър: да е фалшифицируема (да е опровержима). Това означава хипотезата  да бъде формулирана така, че да има експеримент, който да я опровергае. Да, въпреки че пръв поглед изглежда парадоксално, именно това условие най-точно определя разликата между наука и не-наука, в т.ч. псевдонаука. По-подробно за този критерий съм писала в следващата публикация за Демаркационната линия между наука и ненаука.
  

  Пример: Хипотеза: "Телефонът не работи само, когато го проверявам - през останалото време е наред". Това означава, че не съществува експеримент, който да опровергае хипотезата, т.е. това е ненаучна хипотеза. Също хипотезата: "Телефонните духове са сърдити и затова телефонът не работи" е нефалшифицируема, защото няма експеримент, който да потвърди кога "телефонните духове" са доволни.

Ако никакви експериментални резултати не могат да докажат неверността на хипотеза, то не би могло и да се докаже и нейната истинност. Дори да има милион подкрепящи доказателства за едно твърдение, това го прави само много вероятно, но все още недостатъчно достоверно. Ако има дори и един факт, който да опровергава хипотезата ни, то тя е невярна. Така можем да разделим всички хипотези в науката на две категории: опровергани и все още неопровергани. Религията не работи така - нейните тези са свещенни и неприкосновени, т.е. е забранено да се съмняваме в тях и да ги проверяваме.

Чайникът на Ръсел. Пример за нефалшифицируемо твърдение.

Чайникът на Ръсел (англ. Russell's Teapot) е аналогия, измислена от британския философ Бъртранд Ръсел между съществуването на Бог и съществуването на космически чайник на кръгова орбита около Слънцето между Земята и Марс, който е от абсолютно идеално черен порцелан, толкова малък, че е незабележим и за най-прецизния и мощен телескоп. Чайникът на Ръсел е чудесен пример за нефалшифицируемо твърдение - не съществува метод, който да докаже несъществуването на този чайник. Бъртранд Ръсел (Bertrand Arthur William Russell) пише в статията си "Има ли Бог":

"Множество вярващи хора говорят така, сякаш е работа на скептиците да опровергават общоприети догми, наместо да е работа на догматиците да ги доказват. ... Но ако кажа, че понеже твърдението ми не може да бъде оборено, би било нетолерантно да се подлага на съмнение с право ще бъда обвинен, че говоря безсмислици. Ако, все пак, съществуването на такъв чайник беше предположено в антични книги, преподавано като свещенна истина всяка неделя и внедрявана в умовете на децата в училище, колебанието в неговото съществуване би било признак на ексцентричност, а на съмняващият се ще бъде предоставен психиатър в просветната ера или инквизитор в по ранни времена"

С други думи, никой се може да настоява, че хипотезата му е вярна само защото не може да бъде опровергана - негова работа е да я докаже. Тъй като няма начин да докажем, че чайникът на Ръсел не съществува, защо трябва да приемем, че този чайник съществува?

По този начин ние можем да си измислим безброй всякакви ненаблюдаеми глупости и нахално да искаме другите да повярват в тях - защо не в Невидимия Розов Еднорог или Летящото Спагетено Чудовище, което си има религия - Пастафариа́нство с хиляди последователи с чувство за хумор.

Допълнителни препоръки за изграждане на хипотеза

Няма правила, как се изгражда хипотеза. Тук има елемент и на творчество, вдъхновение, прозрение, но все пак съществуват някои общи принципи:

• Хубаво е да се разглеждат всички възможни обяснения като интелектуална честност изисква да се избегне да се фокусира вниманието само върху едно от тях.
• Ние можем да изказваме всякакви безумни твърдения или хипотези (като съществуването на Чайникът на Ръсел), но в огромната си част те са празен шум. Този "шум" трябва да се изреже с добре познатият ни принцип на Окам -  да се предпочете най-простото обяснение.

  Пример: Ако имаме няколко хипотези, приоритет има най-простата: "Телефонът ни не работи, защото му е паднала батерията". Едва след като се изследва тази, най-елементарната хипотеза, се проверяват по-сложни .

• Да не придаваме ненужна тежест на емоционалните причини.
• Трябва да се изследват всички причини, поради които хипотезата може да се окаже грешна - наблюдаваното явление е случайно, методът на наблюдение е погрешен, има пренебрегната причина и т.н.
• Нарушаването на едно изчерпано правило е необходимо и рационално, ако води до решаване на проблема.

Прогноза

Способността да прогнозира (предсказва) е най-важната част от всяка хипотеза или теория. Тези прогнози трябва да са конкретни и , съгласно критерия на Попър, проверяеми, фалшифицируеми. Без значение колко е елегантна една теория, нейните прогнози трябва да се съгласуват с експерименталните резултати, ако е валидно описание на реалността.

Пример: Прогнозата "Ако включа телефона да се зарежда, той ще проработи" е опровергаема и конкретна.

Блок-схема на етапите на научния метод: bgchaos.com

Етап 3: Тестване, експеримент

При нормални условия процесите в природата са изключително сложни и объркващи и не може да бъдат напълно контролирани и управлявани, което изисква нуждата да се изследват в "чист" вид. За тази цел се прави опит (експеримент), който отделя основните фактори от несъществените и по този начин значително се опростява ситуацията. Експериментът или опитът е именно изследване в контролируеми и управляеми условия дали на практика се случва предвиденото от хипотезата, при него се сравняват предсказанията на хипотезата (във вид на математически изчисления) с опитните данни. Този етап е главната разлика между наука и псевдонаука, според критерия на Попър, който изисква хипотезата или теорията да е фалшифицируема, проверяема чрез експеримент.

Хипотезата (теорията) се смята за потвърдена, ако опитът който тя описва ("какво би станало, ако..."), може да се възпроизведе неограничен брой пъти като всеки път дава идентични резултати.

Това в пълна сила важи в инженерните науки, в науки, като физиката или химията, защото сравнително лесно може опитът да е под контрол, да се осигурят идентични условия за всеки експеримент. Но при други науки като медицината и биологията, това е трудно, а при социологията и методите за обработка на резултатите са несигурни. Затова и първата група науки се наричат "точни", а втората - не.

Пример: Включваме телефона да се зарежда и установяваме дали ще проработи.

Така или иначе, експериментът е главният фактор, определящ дали дадена хипотеза е вярна. Ако експериментите я потвърдят, хипотезата става теория и отново се провеждат експерименти, които да я тестват.

Накрая: проверки, експертна оценка, рецензии

Илюстрация Watts Up With That?

Да, проверката, на която се подлагат един друг самите учени е най-трудната и най-ценната част от научния процес. Когато един учен представи нова хипотеза пред колегите си, най-често е подложен на детайлна критика, много по-унищожителна от всяка друга, идваща извън научните среди. Тук безмилостно се оглежда всяко твърдение "под лупа", всяко противоречие с установените вече закони в съответната наука, търси се недостатък в логиката и в постановката на експериментите, проявяват се и пристрастия и здрав научен скептицизъм и консерватизъм. След публикуването на научното съобщение, проверката не приключва, а като че ли се открива "ловен сезон за отстрел" и с една недомислена хипотеза, учените рискуват не само няколко години работа, а и да бъде срината цялата им научна репутация.

Емпирична и теоретична форма на познание

Съществуват сложни и противоречиви отношения между емпиричните и теоретичните нива на научни знания. Разграничението на емпирично и теоретично ниво на познание се е установило  исторически като две крайни позиции по вопроса на взаимното им съотношение.

Емпирично (от гр. empeiria - опит) е нивото на знания, съдържанието на които се извлича от опит (наблюдение, измерване, експеримент). Тези наблюдения и експерименти формират емпиричната основа за теоретичното изследване. Необходимостта от информация от този вид често е причина за разделяне на науката на експериментална и теоретична, макар че на практика е невъзможно да се премахне напълно теорията от експерименталните дисциплини или теоретичните да не се спомене ни един експеримент.

Теоретичното ниво на знания има за основа абстрактното мислене, характеризира се с рационални концепции, теории, закони и други мисловни операции. Теоретичните познания отразяват явленията и процесите чрез вътрешни връзки и универсални закономерности, достигнати чрез рационална обработка на емпирични знания. Тази обработка се извършва с помощта на абстракции от по-висш порядък като понятия, изводи, закони, категории, принципи и т.н.

Емпирични и теоретични методи

Учени от Лос Аламос изследват учебни ядрени експлозии, като използват 3D симулации. От книгата на National Geographic  Visions of Earthc

Някои особености

Науката не дава абсолютни истини и няма пълно познание

Науката не дава абсолютни истини както математиката (която май не е наука, за което ще поговорим по-долу), тя не "доказва" нищо, а само "показва", нейният стремеж е по-скромен - само да представя все по-вероятна картина на света, нейните прогнози да са все по-близо до наблюдаваните факти. Постигането на окончателна истина означава, че Вселената ще бъде в състояние, в което няма да се променя повече (когато ентропията е победила например) . Определено тогава и опознаващите субекти ще липсват

Най-естественото състояние на всеки учен е съмнението.Той винаги се опитва да намери недостатъци в съществуващите теории, които да бъдат надградени, както Нютоновата механика с Теорията на относителността или опровергани като теорията за етера или флогистона. Последното се нарича научна революция или промяна на парадигмата.

Алберт Айнщайн казва:

Всички експерименти на света не са в състояние да докажат правотата ми. Достатъчен е обаче един експеримент, за да докаже, че греша.

Невъзможно е да постигне абсолютна проверка на научните хипотези, т.е. в най-добрия случай ще са в състояние на все още неопровергани.

Възможно е тези непълноти или недостатъци на научния метод да ви разочароват, но все пак, той остава най-добрия инструмент за изследване на реалността.

Наука ли е математиката?

Илюстрация iai.tv

На мнозина този въпрос може да се стори неуместен, самата дума "математика" идва от гръцката дума за наука - mathema.

Ако приложим някои основни положения в науката като наличие познаваем обект и необходимостта хипотезите за него да са проверяеми чрез експеримент, ще видим, че математиката не удовлетворява тези условия. Математиката борави с абстракции, тя не говори нищо за реалния свят.

Математиката не съдържа критерий за истинност, а критерий само за вътрешна непротиворечивост - това е условие само за граматически правилен език. Не случайно я наричат "езика на науката". Тя е инструмент, "математически апарат".

Това по никакъв начин не бива да ви изглежда като пренебрежение към математиката, по-скоро както казва Нилс Бор:

Математиката - това е нещо много повече от наука, защото това е езикът на науката.

Методът на псевдонауката не е научен

Феновете на псевдонауката не смятат, че използването на научния метод е задължително.

Може ли да има правила, при положение, че парапсихологичите явления са непредсказуеми и зависят от психическото състояние на изследователя?

Естествено, на етапа, когато се разработват идеите без вдъхновение и въображение не може, но когато се навлезе във фазата на тестване, трябва да се спазат правилата на съответната област от знание без никакви артистични отклонения. А за второто, за парапсихологичите явления мога със сигурност да кажа, че след като са нефалшифицируеми, не подлежат на проверка, то те са извън областта на науката.

Схема на псевдонаучния метод:

1. Избира се твърдение, чиято истинност трябва да се докаже.
2. Правят се наблюдения и експерименти и се записват резултатите. Често се спестяват тези дейности като усилията се концентрират само за събиране на цитати.
3. Търсят се и се подбират само такива резултати, които подкрепят избраното убеждение.
4. Формулировка на погрешно твърдение за това, че избраното убеждение предсказва някои резултати и че наблюденията или експериментите оправдават очакванията.

Вдясно съм представила схема, показваща фундаментално различни начини на познание на света между  науката и креационизма (интелигентния дизайн). Именно това пренебрегване и грубото изкривяване на съществени елементи от научната методология кара академичните учени напълно да игнорират всякакви псевдонаучни идеи.

Пояснения и забележки:

Емпирични методи

Сравнение - сравняват се съпоставими явления и обекти като се започва от най-важните и съществени характеристики

Моделиране (Симулация) - физически, мисловни, компютърни модели

Теоретични методи

Формализация - научните идеи трябва да да се представят с точни понятия и твърдения, чрез изграждане на абстрактни математически модели.

Аксиоматизация - представлява изграждане на теории, основани на аксиоми-твърдения, за които доказателства за истинността не се изисква.

Анализ - фактическо или мислено разчленяване на обект на изследване на съставните му части - признаци, функции, свойства, отношения, но всяка част се разглежда не сама по себе си, а като част на едно цяло.

Синтез - фактическо или мислено обединение на цялото от части, елементи и отношения, разделени чрез анализ. Анализът и синтезът са в органично единство.

Индукция - изследователски метод и метод на разсъждение, при който общо заключение за свойствата на обекти и явления, се основава на отделни факти или частни предпоставки. Преходът от анализ на факти и явления към синтез на придобитите знания се извършва чрез индукция. С помощта на индуктивния метод не може да се получат достоверни знания, а вероятни с различна степен на точност.

Дедукция - преход от общи съждения към частни, изводи на нови положения с помощта на логиката. Дедуктивният метод е инструмент за логическото подреждане на теоретичните науки, за получаване на логически следствия.

Обобщаване - логически процес на преход от единичното към общото, като се установят общи свойства и характеристики на изследваните обекти.

Аналогия - умозаключение, което на базата на сходство между два обекта по някои техни свойства и връзки се прави извод за тяхното сходство и в свойства и връзки.Наример X. Хюйгенс, въз основа на аналогията между светлината и звука, стига до заключението за вълновата природа на светлината, а Максуел разширява това заключение за електромагнитното поле.

Математизация - това е проникване на математическия апарат в природните науки като с помощта на математиката се формулират основните им закономерности. Математизацията на съвременните научни знания характеризира тяхното теоретично ниво. Например въвеждането на теорията на игрите в биологията дава нови перспективи в развитието й като наука.

Абстракция - метод на познания, при който мислено се отхвърлят всички обекти, свойства и връзки, които пречат за разглеждането на обекта на изследване в чист вид. Чрез абстракцията са възникнали всички понятия и категории в природните и социално- икономическите науки: материя, движение, маса, енергия, пространство, време, растение, животно, биологически вид и т.н.

Други научни методи

Класификация - отделяне на всички изучавани обекти в отделни групи според някои важни характеристики.

Хипотетично - дедуктивния метод - метод на разсъждение, основан на въвеждане (дедукция) на заключения от хипотези, чиято истинност не е сигурна. Методът се основава на постулата, че развитието на теоретичните знания се изгражда не от индуктивни обобщения на данни и факти, т.е. "отдолу нагоре", а ще се развиват дедуктивно "отгоре надолу". Механиката на Нютон е хипотетично-дедуктивна система, за предпоставки на която служат основните закони на движението.

Логически метод и Исторически метод - Историческият метод е изследване на конкретния процес на развитие, а логическия метод - изследване на общите закони на движение на обекта на познание.

Статистически методи - анализ и интерпретация на емпирични данни с помощта на  теорията на вероятностите.  

Източници:

The Science of Asthma Treatments 1: The Scientific Method
Introduction to the Scientific Method, Prof. Frank L. H. Wolfs Department of Physics and Astronomy, University of Rochester, NY 14627, USA
Наука ли математика?, Николай Аблесимов
ЭМПИРИЧЕСКИЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ УРОВНИ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ, Кохановский В. Философия для аспирантов: Учебное пособие
Концепции современного естествознания,
Гусейханов М., Раджабов О.
Distinguishing Science and Pseudoscience, Rory Coker, Ph.D.
Distinguishing Science from Pseudoscience, The University of Texas at Austin “The” Scientific Method versus Real Science John Denker
Методы научного познания 
ОБРАЗИ НА НАУКАТА И СЪВРЕМЕННИТЕ ПРЕДИЗВИКАТЕЛСТВА ПРЕД ФИЛОСОФИЯТА НА НАУКАТА, Нина Атанасова Атанасова, дисертация за присъждане на образователната и научна степен „доктор”
За науката и философията, Ренат Атаев
Философские концепции науки
О научном методе, ©Красноярский государственный педагогический университет,2004-2005.
Критерий Поппера и Религия
Миф концептуального каркаса, Карл Поппер
Looking Forward, KENNETH S. KEYES, JR. and JACQUE FRESCO

Още по темата

11/01/2015

Скептик

Демаркационната линия между наука и ненаука