Природа научного исследования

Как члены современного общества, мы постоянно вспоминаем о преимуществах, получаемых от науки. Но какова именно природа научного исследования? Развитие понимания того, как делается наука и как работают ученые, является еще одной важной темой, которая появляется на протяжении всей этой книги. Вы изучите трудности сбора данных и некоторые из гениальных методов, которые были разработаны для преодоления этих трудностей. Вы также увидите много примеров того, как формулируются и проверяются гипотезы, а также узнаете об эволюции и развитии некоторых основных научных теорий.

Вся наука основана на предположении, что естественный мир ведет себя последовательно и предсказуемо, что становится понятным благодаря тщательному, систематическому изучению. Общая цель науки — обнаружить базовые закономерности в природе, а затем использовать эти знания для прогнозирования того, чего следует или не следует ожидать, учитывая определенные факты или обстоятельства. Например, понимая процессы, которые производят определенные типы облаков, метеорологи часто могут предсказать приблизительное время и место их образования.

Развитие новых научных знаний включает в себя некоторые базовые логические процессы, которые являются общепринятыми. Чтобы определить, что происходит в естественном мире, ученые собирают научные факты посредством наблюдения и измерения (рис. 1.7). Типы фактов или данных, которые собираются, как правило, стремятся ответить на четко определенный вопрос о естественном мире. Поскольку некоторая ошибка неизбежна, точность конкретного измерения или наблюдения всегда остается под вопросом. Тем не менее, эти данные имеют важное значение для науки и служат трамплином для разработки научных гипотез и теорий.

Рис. 1.7 Наблюдение и измерение. Сбор данных и проведение тщательных наблюдений являются основными частями научного исследования

Гипотеза. После того, как факты собраны и принципы сформулированы для описания природного явления, исследователи пытаются объяснить, как или почему все произошло так, как они наблюдали. Часто они делают это, конструируя предварительное (или непроверенное) объяснение, которое называется научной гипотезой.

Лучше всего, если исследователь может сформулировать более одной гипотезы для объяснения данного набора наблюдений. Если отдельный ученый не может разработать несколько гипотез, другие в научном сообществе почти всегда разрабатывают альтернативные объяснения. Часто возникают оживленные дебаты. В результате сторонники противоположных гипотез проводят обширные исследования, а результаты становятся доступными для более широкого научного сообщества в научных журналах.

Прежде чем гипотеза станет принятой частью научного знания, она должна пройти объективную проверку и анализ. Если гипотезу невозможно проверить, она не является научно полезной, какой бы интересной она ни казалась. Процесс проверки требует, чтобы прогнозы делались на основе рассматриваемой гипотезы и чтобы прогнозы проверялись путем сравнения их с объективными наблюдениями природы. Иными словами, гипотезы должны соответствовать наблюдениям, отличным от тех, которые использовались для их формулирования в первую очередь. Гипотезы, которые не проходят строгую проверку, в конечном итоге отбрасываются.

История науки усеяна отброшенными гипотезами. Одной из самых известных является геоцентрическая модель Вселенной — предложение, которое было подкреплено очевидным ежедневным движением Солнца, Луны и звезд вокруг Земли. Как талантливо заметил математик Якоб Броновски: «Наука — это великое множество вещей, но в конце концов все они возвращаются к этому: наука — это принятие того, что работает, и отвержение того, что не работает».

Теория. Когда гипотеза выдержала тщательную проверку и когда конкурирующие гипотезы были устранены, она может быть повышена до статуса научной теории. На повседневном языке мы могли бы сказать: «Это всего лишь теория». Но научная теория — это хорошо проверенное и широко распространенное мнение, которое, по общему мнению научного сообщества, наилучшим образом объясняет определенные наблюдаемые факты.

Некоторые теории, которые широко документированы и чрезвычайно хорошо подкреплены, являются всеобъемлющими по своему охвату. Например, теория тектоники плит обеспечивает основу для понимания происхождения гор, землетрясений и вулканической активности. Кроме того, тектоника плит объясняет эволюцию континентов и океанических бассейнов с течением времени.

Научные методы. Только что описанный процесс, в котором исследователи собирают факты посредством наблюдений и формулируют научные гипотезы и теории, называется научным методом. Вопреки распространенному мнению, научный метод — это не стандартный рецепт, который ученые применяют в рутинной манере, чтобы разгадать секреты нашего естественного мира. Скорее, это начинание, которое включает в себя творчество и проницательность. Резерфорд и Альгрен выразили это так: «Изобретение гипотез или теорий, чтобы представить, как устроен мир, а затем выяснение того, как их можно проверить реальностью, — это такое же творчество, как написание стихов, сочинение музыки или проектирование небоскребов».

Не существует фиксированного пути, по которому ученые всегда могут безошибочно следовать к научному знанию. Однако многие научные исследования включают в себя следующие процессы:

- Ставится вопрос о естественном мире.
- Собираются научные данные, которые относятся к вопросу.
- Ставятся вопросы, которые относятся к данным, и разрабатывается одна или несколько рабочих гипотез, которые могут ответить на эти вопросы.
- Разрабатываются наблюдения и эксперименты для проверки гипотез.
- Гипотезы принимаются, изменяются или отклоняются на основе всестороннего тестирования.
- Данные и результаты передаются научному сообществу для критического изучения и дальнейшего тестирования.

Некоторые научные открытия могут быть результатом чисто теоретических идей, которые выдерживают обширную проверку. Некоторые исследователи используют высокоскоростные компьютеры для моделирования того, что происходит в «реальном» мире. Эти модели полезны при работе с естественными процессами, которые происходят в очень длительных временных масштабах или в экстремальных или недоступных местах. Другие научные достижения достигаются, когда во время эксперимента происходит совершенно неожиданное событие. Эти счастливые открытия — это больше, чем просто удача, поскольку, как сказал Луи Пастер, «В области наблюдения случай благоприятствует только подготовленному уму».

Научные знания приобретаются несколькими путями, поэтому, возможно, лучше всего описать природу научного исследования как методы науки, а не как научный метод. Кроме того, всегда следует помнить, что даже самые убедительные научные теории по-прежнему являются упрощенными объяснениями естественного мира.

Но поймите, что наши знания о Земле меняются ежедневно, поскольку тысячи ученых по всему миру проводят спутниковые наблюдения, анализируют керны буровых скважин с морского дна, измеряют землетрясения, разрабатывают компьютерные модели для прогнозирования климата, изучают генетические коды организмов и открывают новые факты о долгой истории нашей планеты. Эти новые знания часто обновляют гипотезы и теории. Ожидайте увидеть много новых открытий и изменений в научном мышлении в течение вашей жизни.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.