השיטה המדעית

השיטה המדעית היא שם כולל לטכניקות המשמשות במדע לחקר תופעות, צבירת ידע חדש או תיקון ושילוב של ידע קודם. הטכניקות, המאפשרות להכריע בין רעיונות, השערות ותפיסות שונות, כוללות הן אמצעים ושיטות מדידה והן כלים מחשבתיים של היקש לוגי. אחד הכלים החשובים ביותר בשיטה המדעית היא המתמטיקה, המאפשרת תיאור כמותי ומדויק של הנתונים והתצפיות, אנליזה של הנתונים (data) וגזירה של מסקנות ותחזיות כמותיות.

השיטה המדעית עברה התפתחות רבה במרוצת ההיסטוריה, וחלק מקפיצות הדרך הגדולות במדע נחשבות כנקודות מפתח בגיבושה של השיטה המדעית. כיוון שהיא עוברת התפתחות מתמדת, אין עליה הסכמה כוללת, באותו אופן שאין הסכמה כוללת לגבי מהו מדע. כך למשל, לדעת חלק מהעוסקים במדעי הטבע, חלק מהמחקרים בתחומים כדוגמת פסיכולוגיה וסוציולוגיה לוקים במתודולוגיה שלהם, משום שהשיטות המדעיות שבהן משתמשים ענפים אלו אינן ריגורוזיות מספיק. באותו אופן הוויכוח סביב ענפים הנחשבים כפסבדו-מדע, כגון הומאופתיה, עוסק לרוב בשאלה עד כמה מבוססים ענפים אלו על השיטה המדעית.

למרות הבדלים בפרוצדורות המחקריות בין תחומי המחקר השונים, קיימים מספר מאפיינים משותפים המייחדים את החקר המדעי ממתודולוגיות ידע אחרות. חוקרים מדעיים מנסים למצוא מודלים שיסבירו תופעות טבע על פי עקרון תערו של אוקאם: כלומר למצוא את המודל הפשוט ביותר המסביר את התופעות הנצפות. תאוריות אלו נבנות על בסיס לוגי ומתמטי, והדרך להכריע בין תאוריות שונות היא על ידי תכנון ניסויים לבחינתן. ניסויים גם נעשים בתחומים שבהם אין תאוריה, על מנת לצבור ידע שיאפשר בנייתם של הסברים ותאוריות. הדרישה הבסיסית מניסויים היא הדירות (reproducibility). בין המאפיינים המשותפים לתחומי המחקר השונים נמנית הדעה הנחרצת בדבר נחיצות האובייקטיביות בתהליך, כדי לצמצם פירוש מוטה של התוצאות. דרישה בסיסית אחרת היא תיעוד, ארכוב ושיתוף כל המידע ומתודולוגיית המחקר, כדי שיעברו ביקורת עמיתים בידי מדענים אחרים. כך מתאפשר למדענים לאמת את התוצאות על ידי ניסיון לחזור על הניסוי. הליך זה מאפשר קבלת אמת מידה סטטיסטית לאמינות המידע.

מודל בסיסי לשיטה המדעית המודרנית הוא:

1. השתמש בדמיון שלך – שקול את הבעיה ונסה להבינה. חפש הסברים קודמים; אם הבעיה חדשה לך, ואז
2. העלה השערה – כאשר דבר אינו ידוע, נסה לנסח את ההסבר, ולהסבירו לאדם אחר, או להעלותו על הכתב.
3. נסח תחזית על סמך ההסבר. אם 2 נכון, הצהר תוצאה של ההסבר.
4. בחן וחפש את היפוכה של התוצאה על מנת להפריך את 2. זוהי שגיאה לוגית לחפש את 3 כהוכחה ישירה ל-2. שגיאה זו מכונה אישור הסוגר.

התפתחות השיטה המדעית

השיטה המדעית, התפתחה במקביל להתפתחות המדע.

העת העתיקה – המדע הפרה־ניסויי

את ניצניו של המדע המודרני ניתן למצוא בתרבויות עתיקות רבות – מסמכים ממצרים העתיקה, כמו פפירוסים עתיקים, מתארים שיטות אבחון רפואי, ותרבויות קדומות רבות (כגון השומרים והבבלים) היו בעלות ידע רב באסטרונומיה. התפתחויות מדעיות היו קשורות הן לצרכים ממשיים, והן לצרכים דתיים ומיסטיים. לדוגמה, תרבויות רבות צפו בגרמי השמים כדי ליצור את לוחות השנה שלהן, שנשאו חשיבות ממשית בחקלאות לצד חשיבות טקסית בדת וחשיבות מיסטית באסטרולוגיה. בתרבויות הקדומות לא התקיימה ההבחנה בין מדע לבין אמונה ומיסטיקה, ותופעות הטבע הוסברו באמצעות מיתוסים ואגדות.

יוון העתיקה: התפתחות השיטה האקסיומטית

בראשית המאה ה-3 לפנה"ס יצא לאור באלכסנדריה הספר "יסודות" בן 13 הכרכים של אוקלידס. בספר הזה הונח הבסיס לשיטה האקסיומטית שפותחה ביוון העתיקה, ותהווה מכאן ואילך את הבסיס של המתמטיקה. על פי שיטה זו כל הידע המתמטי מבוסס על הוכחות, בשיטה של דדוקציה, שבה כל משפט מתמטי (theorem) מוכח על בסיס משפטים שכבר הוכחו, וכל המשפטים כולם נסמכים על סט מצומצם ככל האפשר של משפטי יסוד, הקרויים ״אקסיומות״. אף שמאז התקופה העתיקה המתמטיקה התפתחה רבות ונוספו אליה תחומים רבים, עקרונותיה הבסיסיים לא השתנו מאז ימי אוקלידס.

הפילוסוף אפלטון האמין שהמתמטיקה מתארת את "עולם האידאות", שעליו מבוסס עולמנו הפיזי. תפיסה זאת, הנקראת פלאטוניזם, ספגה ביקורת בכתביו של אריסטו. בראשית המאה ה-19, עם גילוין של גאומטריות לא אוקלידיות, איבדה הגאומטריה האוקלידית את מעמדה כגאומטריה הנכונה היחידה של העולם. עם זאת, עד היום מתמטיקאים רבים מחזיקים בתפיסה של אפלטון בנוגע למתמטיקה^{[דרוש מקור]}.

ימי הביניים: ראשית הגישה הניסויית

את ראשית האמפיריציזם – הגישה שהובילה לביסוס המדע על תצפיות וניסויים – נהוג לייחס למאה ה-17, תקופת המהפכה הקופרניקאית, אך את שורשיו ניתן למצוא כבר בעבודותיהם של מדענים מוסלמים בימי הביניים. מדענים אלו השתמשו בניסוי וכימות כדי להבחין בין תאוריות מדעיות מתחרות. דוגמה טובה לכך היא ניסוי האופטיקה בספר האופטיקה (1021) של אבן אל-היית'ם. אל היית'ם ניסה לבדוק את הסברה, שהאור נע בקווים ישרים.

על עבודה זו הוא כותב:

כיצד עובר האור דרך גופים שקופים? האור עובר דרך גופים שקופים בקווים ישרים בלבד. ...הסברנו זאת באריכות בספר האופטיקה שלנו. אך הרשו לנו להזכיר כעת דבר מה כדי להוכיח זאת באופן משכנע: העובדה שהאור עובר בקווים ישרים נצפית בקלות באורות החודרים לחדרים חשוכים דרך חורים. ...האור הנכנס נראה בבירור באבק הממלא את החדר

— אלהאזן (אבן אל-היית'ם)

הדרך שבה הדגים אל היית'ם את נכונות הסברה הייתה הצגת מקל ישר, או חוט מתוח, לאורך קרן האור, וכך להראות כי האור נע בקו ישר. החידוש המרכזי בעבודה זאת הוא בהקדשת הזמן והמאמץ על מנת לבדוק בצורה ניסויית עובדה שנראתה כמובנת וברורה מאליה. גישה זו, המטילה ספק בכל טענה שלא אוששה בניסוי, נמצאת בבסיס השיטה המדעית. על אופן זה של החיפוש אחר האמת הוא כותב:

מחפשים את האמת למען האמת עצמה. אלה העוסקים בחיפוש אחר כל דבר למען עצמו אינם מתעניינים בדברים אחרים. מציאת האמת קשה, והדרך אליה דרך חתחתים...

— אלהאזן (איבן אל-היית'ם)

אל-היית'ם (1000): האור נע בקווים ישרים

הבישוף רוברט גרוסטסט, שפעל באנגליה בראשית המאה ה-13, היה ככל הנראה הראשון במערב שביצע ניסויים מבוקרים מתוך מטרה להוכיח או להפריך טענות המנוסחות באופן מדויק ומתמטי. הוא כתב על שיטת ה"הפרדה והרכבה", כלומר הסקת חוק טבע כללי מתוך תצפיות פרטניות, וגזירה של ניסויים פרטניים כדי לבחון את החוק הכללי. על אף שלא תמיד ביצע בעצמו את אשר הטיף לו, הרי שהציג למערב פרשנות קוהרנטית ראשונה של השיטה המדעית.

גישתו של בייקון

במאה ה-16 טען פרנסיס בייקון שעל מנת לחקור דברים יש לערוך ניסויים, לצפות בתוצאותיהם, ולבסוף לנתח את הממצאים ולהסיק מהם מסקנות. במקרים בהם אי אפשר לעשות ניסויים, ניתן בכל זאת לעסוק בתצפיות. לדוגמה, באסטרונומיה לא ניתן להגיע לכוכבים שנמצאים מעבר להישג ידינו, אך ניתן לערוך תצפיות ולהתבסס עליהן כדי להגיע למסקנות. כמו כן, ניתן להקיש מתהליכים המתרחשים על פני כדור הארץ על תהליכים המתרחשים בפלנטות אחרות.

המהפכה הקופרניקאית והמהפכה המדעית

במאה ה-16 הציג ניקולאוס קופרניקוס מודל מהפכני למערכת השמש, שלפיו כדור הארץ ושאר כוכבי הלכת מקיפים את השמש, ולא כפי שסברו עד אז, שכל גרמי השמיים מקיפים את הארץ. מודל זה, בשילוב התיקון של יוהאנס קפלר (שמצא שכוכבי הלכת נעים סביב השמש במסלול אליפטי ולא מעגלי), נתן הסבר פשוט יותר ומדויק יותר לתצפיות על תנועת הכוכבים. גלילאו גליליי הושם במעצר בעקבות תמיכתו במודל ההליוצנטרי של קופרניקוס, מכיוון שהוא סתר את עמדת הכנסייה, ואולם דור אחד מאוחר יותר התקבל המודל על דעת כלל הקהילה המדעית, וסימן שלב חשוב בהתפתחות המדע: ביסוס המדע על ניסוי ותצפיות, במקום על תפיסות לוגיות או מיסטיות שהיו מקובלות עד אז.

המתמטיזציה של המדע

אבן דרך במהפכה המדעית הייתה הנהגת המתמטיקה כשפת המדע, וככלי רב עוצמה לתיאור הנתונים והתצפיות, לניסוח חוקי הטבע ולאנליזה של המידע כדי להגיע למסקנות ולחיזויים. את השורשים לכך ניתן למצוא כבר אצל גליליי, אך מי שהפך את המתמטיזציה של המדע מאידיאל למעשה היה המתמטיקאי והפיזיקאי סר אייזק ניוטון בעבודתו "העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע", שייסדה את הפיזיקה הקלאסית והדגימה כיצד באמצעות מספר מצומצם של חוקי טבע וחשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי ניתן להסביר בדיוק רב את תנועת כוכבי הלכת סביב השמש. חיבור זה המחיש את כוחה הרב של המתמטיקה ואת תפקידה ככלי הכרחי לחקירה המדעית.

אמת ואמונה

תיאור "הסוס המעופף"

תמונות הסוס הדוהר של מייברידג'

אמונה לא חייבת להיות אמת, והאמת יכולה להיות בלתי-תיאמן. הדעות הקדומות שלנו משפיעות על התצפיות שלנו ועל האופן בו אנו מפרשים אותן. ספרו של ג'וזף נידהם, "מדע וציוויליזציה בסין", מציג את תמונת "הסוס המעופף" כדוגמה להבחנה שגויה המבוססת על אמונה: בציור, רגלי הסוס מוצגת כפרושות לפנים ולאחור, בעוד רצף תמונות הזואופרקסיסקופ של אדוארד מויברידג' מראות מציאות אחרת. לפיהן, כפי שניתן לראות משמאל, ברגע בו אף רגל אינה נוגעת בקרקע, כל הרגליים מקובצות יחדיו, ולא פרושות. נקודה זו מדגימה היטב את אזהרתו של פלק, לפיה אנו רואים מה שאנו מצפים לראות, עד שנקבל הוכחה שתסתור זאת. יישום חוזר ונשנה של השיטה המדעית יכול לסייע בזיהוי שגיאות בדעות קדומות אלו. לקהילה מדעית, שחבריה מחזיקים בדעות קדומות מגוונות, יתרון בהיבט זה על פני כל יחיד.

עיקרי השיטה המדעית

כאמור לעיל, נטען שהשיטה המדעית כמושג אינה קיימת, ואין מחלוקת על כך שהשיטה המדעית התפתחה לאורך השנים ומוסיפה להתפתח, וכן על כך שהשיטה המדעית שונה בענפים שונים של המדע. הפסקה הזאת באה לתאר את עיקר תפיסת השיטה המדעית עליה קיימת הסכמה רחבה בקהילה המדעית ובקרב פילוסופים של המדע.

המערך הבא של אלמנטים מתודולוגיים וארגון הפרוצדורות מאפיינים יותר את מדעי הטבע ופסיכולוגיה ניסויית, ופחות את מדעי החברה. במדעי החברה השיטות המתמטיות והסטטיסטיות של אימות ובחינת השערות עשויות להיות פחות נוקשות. בכל זאת, מחזור ההשערה, אימות וניסוח השערות חדשות ידמה למחזור המתואר בהמשך.

כל מרכיב בשיטה המדעית נתון לביקורת עמיתים כדי למנוע שגיאות וזיופים. פעולות אלה אינן כל עבודתם של המדענים, וישימות בעיקר למדעים הניסיוניים (כמו כימיה ופיזיקה). המרכיבים הללו נלמדים לעיתים במערכת החינוך.

דוגמה מתחום ה-DNA
להלן מודגם כל מרכיב בשיטה המדעית, בעזרת דוגמה מגילוי מבנה ה-DNA: אפיון: במקרה זה, בשנת 1950 חשיבות הגן כבר נודעה, אך המכניזם לא היה ידוע. השערה: פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון שיערו כי לגן בסיס פיזי – מבנה סלילי. תחזית: מעבודה מוקדמת על וירוס מוזאיקת הטבק, ווטסון היה מודע לחשיבות של הניסוח של קריק לגבי הטרנספורמציה של סליל. לכן היה מוכן לחשיבות של צורת ה-X בתצלום 51. ניסוי: ווטסון רואה את תצלום 51. המשך גם בחזרות DNA, בהערכה וחזרה.

השיטה המדעית אינה מתכון ותו לא; היא דורשת אינטליגנציה, דמיון ויצירתיות. השיטה גם מתקדמת ומשתנה ללא הרף, ומפתחת מודלים ושיטות יעילים, מדויקים ומקיפים יותר. לדוגמה, כאשר פיתח איינשטיין את תורת היחסות הפרטית ואת תורת היחסות הכללית, הן לא סתרו או הפריכו את "פרינציפיה" של ניוטון. למעשה, אם מתעלמים ממצבים של גדלים גדולים או קטנים במיוחד, או מהירות גבוהה במיוחד – תופעות שאותן ניוטון לא ראה, משוואות ניוטון נותרות על כנן. התאוריות של איינשטיין מרחיבות ומשכללות את התאוריות של ניוטון, ותצפיות המגדילות את ביטחוננו בהן גם מגדילות את ביטחוננו במשוואות המקורבות של ניוטון.

ניתן לסדר את השלבים הרשומים מעלה באופן הבא, כדרך פעולה:

1. הגדירו את השאלה
2. אספו מידע ומשאבים (ערכו תצפיות)
3. העלו השערה
4. ערכו ניסוי ואספו נתונים
5. נתחו את הנתונים
6. פרשו את הנתונים והסיקו מסקנות, המשמשות כנקודת התחלה להשערה חדשה
7. פרסמו תוצאות
8. בחנו מחדש (שלב המבוצע בדרך כלל על ידי מדענים אחרים)

המעגל האיטרטיבי בניסוח זה הוא בין שלב 3 עד 6, ובחזרה ל-3.

אף שדרך הפעולה לעיל מתארת שיטת השערה/בדיקה טיפוסית, מספר פילוסופים, היסטוריונים וסוציולוגים של המדע (הבולט שבהם – פול פייראבנד) טוענים כי לתיאורים מסוג זה של השיטה המדעית קשר קלוש לדרך שבה המדע פועל במציאות.

המודל ה"מבצעי" משלב את רעיונות ה"תעשייתיים" של עיבוד, הגדרה אופרטיבית, ואיכות היישום (Utility):

פרויקט "אבני הבסיס של המדע", מטעם כתב העת Science, בחר מספר מאמרים מדעיים מכתב העת, והאיר בהם הארות, לביאור היישום של השיטה המדעית בכל חלק של המאמר. כאן ניתן לקרוא דוגמה לכך, במאמר תחת הכותרת: Microbial Genes in the Human Genome: Lateral Transfer or Gene Loss?.

אפיון

דוגמה: אפיון ה-DNA
ההיסטוריה של גילוי מבנה ה-DNA היא דוגמה קלאסית ליסודות השיטה המדעית: ב-1950 היה ידוע כי לתורשה הגנטית תיאור מתמטי, שראשיתו במחקרו של גרגור מנדל. אך המכניזם של הגן לא נודע. חוקרים במעבדת קוונדיש בניהולו של ויליאם לורנס בראג באוניברסיטת קיימברידג' הכינו תמונת עקיפה של קרני רנטגן עבור מולקולות שונות, החל בגבישי מלח, והמשך בחומרים מורכבים יותר. בעזרת רמזים שנאספו בקפדנות לאורך עשורים, החל במבנה הכימי של ה-DNA, נקבע כי אפשר יהיה לאפיין את המבנה הפיזי של DNA, ולעשות זאת בעזרת תמונות קרני רנטגן.

השיטה המדעית נשענת על אפיונים מתוחכמים יותר ויותר של נושאי המחקר (את ה"נושאים" ניתן גם לכנות "בעיות לא-פתורות" או "נעלמים"). לדוגמה, בנג'מין פרנקלין זיהה נכונה את אש אלמו הקדוש כתופעה חשמלית באופיה, אך רק לאחר סדרת ניסויים ארוכה בשילוב פיתוח תאורטי. חיפוש התכונות החשובות של הנושא משלב הגדרות ותצפיות; התצפיות דורשות לעיתים קרובות מדידות מדויקות, או ספירה.

• "איני נוהג לומר דבר בביטחון לאחר מדידה אחת או שתיים בלבד" – אנדריאס וסאליוס (1546)

האיסוף השיטתי והזהיר של מדידות או ספירות של הגדלים הרלוונטיים הוא בדרך כלל ההבדל הקריטי בין פסבדו-מדע, כמו אלכימיה, למדע, כמו כימיה או ביולוגיה. מדידות מדעיות עוברות בדרך כלל סידור כלשהו, בטבלה, בגרף, במפות, ועוברות ניתוחים סטטיסטיים, כמו קורלציה ורגרסיה. המדידות מבוצעות בסביבה מבוקרת, כמו מעבדה, או על נושאים פחות נגישים או ניתנים לשליטה, כמו הכוכבים, או אוכלוסיות אנושיות. המדידות דורשת בדרך כלל ציוד מדעי מיוחד, כמו מדחום, ספקטרוסקופ, או וולטמטר, והתקדמות התחום המדעי קשורה מאוד להמצאה ופיתוח של מכשירים מדעיים.

אי ודאות

מדידות מדעיות מלוות בדרך כלל באומדן של אי-הוודאות בהן. אי-הוודאות מוערכת לעיתים קרובות על ידי ביצוע מדידות חוזרות ונשנות של אותו גודל נחקר. ניתן גם לחשב את אי-הוודאות תוך חישוב אי-הוודאויות במרכיבים הבסיסיים של אותה מדידה – לדוגמה, מדידת אורך בעזרת סרט מידה תושפע מצפיפות השנתות על סרט המידה, דיוק הדפסת השנתות, והדיוק בקביעת השנת הנכונה על ידי מבצע המדידה.

ספירות שונות, כמו מספר האנשים במדינה מסוימת בזמן כלשהו, עשויות להיות מושפעות גם ממגבלות השיטה שבה משתמשים. הספירות עשויות לייצג רק דגימה של הגודל הרצוי, עם אי-ודאות התלויה בשיטת הדגימה ובמספר הדגימות.

הגדרה

מדידה דורשת שימוש ב"הגדרות אופרטיביות" של הגדלים הרלוונטיים. כלומר, גודל מדעי מתואר או מוגדר על ידי דרך מדידתו, בניגוד להגדרה יותר מעורפלת, לא מדויקת, או "אידיאלית". לדוגמה, זרם חשמלי, הנמדד באמפר, מוגדר אופרטיבית במושגים של מסת כסף המשוקע בפרק זמן מסוים על אלקטרודה במתקן אלקטרוכימי המתואר בפירוט. ההגדרה האופרטיבית מסתמכת לעיתים קרובות על השוואות לסטנדרטים: ההגדרה האופרטיבית של מסה מסתמכת, בסופו של דבר, על השימוש בחפץ מוגדר, כמו משקולת הקילוגרם מסגסוגת פלטינה-אירידיום, השמורה בלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות בפריז.

ההגדרה המדעית של מושג עשויה להיות שונה משמעותית מהשימוש בו בשפה יום יומית. לדוגמה, בדיבור למילים מסה ומשקל משמעויות חופפות, אך למעשה יש להן משמעויות נפרדות במכניקה. לעיתים קרובות מאפיינים גדלים מדעיים בעזרת יחידות המידה שלהם, שאותן ניתן להמיר מאוחר יותר ליחידות פיזיקליות מקובלות, למטרת פרסום העבודה.

לעיתים ההבנה כי גודל מסוים לא הוגדר בצורה ברורה יכולה להוביל לתאוריות חדשות. לדוגמה, המאמר הראשון של אלברט איינשטיין בנושא תורת היחסות הפרטית פותח בהגדרת סימולטניות ואורך. אייזק ניוטון דילג על רעיונות אלה, באומרו: "איני מגדיר זמן, חלל, מיקום ותנועה, כיוון שאלה ידועים לכל". מאמרו של איינשטיין מדגים כי אלה (רעיונות הזמן המוחלט, ואורך שאינו תלוי בתנועה) היו קירובים בלבד. פרנסיס קריק מזהיר אותנו כי כאשר מאפיינים נושא מחקר, יש להימנע מהגדרת דבר מה לפני הבנתו ברמה מספקת.

בחוקרו את התודעה, מצא קריק כי למעשה קל יותר לחקור מודעות במערכת הראייה, מאשר לחקור, לדוגמה, בחירה חופשית. הדוגמה בה הוא משתמש לצורך ההזהרה היא הגן; אופיו של הגן לא הובן היטב לפני עבודתם החלוצית של ווטסון וקריק לחקר מבנה ה-DNA; הקדשת זמן רב להגדרת הגן, לפני הבנת מבנהו, לא הייתה מועילה.

הפרצסיה של כוכב חמה

אפיון נושא מסוים עשוי לדרוש מחקר נרחב וממושך, אפילו לאורך מאות שנים. נדרשו אלפי שנות מדידות, על ידי אסטרונומים כשׂדִיים (Chaldea), הודים, פרסים, יוונים, ערבים, ואירופאים, על מנת להגדיר את התנועה של כדור הארץ. ניוטון הצליח להשתמש בתוצאות אלה ולהסבירן כתוצאה של חוקי התנועה שלו. אך בפריהליון במסלולו של כוכב חמה ניתן לזהות נקיפה (פרצסיה) שאינה מוסברת במלואה על ידי חוקי התנועה הניוטוניים; הפער בינה לבין החיזוי על פי חוקי ניוטון עומד על 43 שניות-קשת לכל מאה שנים. ההסבר המלא לתופעה ניתן על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, והיא הייתה אחד הרעיונות הראשונים שהעלה איינשטיין למבחן של נכונות התורה.

פיתוח השערה

דוגמה: השערת ה-DNA
לינוס פאולינג הציע כי מבנה ה-DNA הוא סליל משולש. פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון למדו על השערתו, הבינו מהמידע הקיים כי פאולינג שגה, והבינו כי בקרוב יבין את טעותו. אז החל המרוץ לפענח את המבנה הנכון. אך פאולינג לא הבין באותה עת כי הוא במרוץ...

השערה היא הצעה להסבר של תופעה, או הצעה מנומקת לקשר אפשרי בין תופעות. לעיתים קרובות להשערות צורה של מודל מתמטי. לעיתים, אך לא תמיד, ניתן לנסחן כהצהרות אקזיסטנציאליות, לפיהן לפן מסוים של התופעה הנחקרת יש הסברים אופייניים וסיבתיים, להם צורה של הצהרות אוניברסליות, כלומר – לכל מופע של התופעה יש מאפיין מסוים.

לניסוח הסבר לתופעות, המדענים משתמשים בכל משאב לרשותם – דמיון, רעיונות מתחומים אחרים, אינדוקציה, היסקים בייסיאנים וכולי. צ'ארלס פרס, בהשראת "אנליטיקה קודמת" של אריסטו, תיאר את השלבים הראשונים של מחקר, כטיעון רטרודוקטיבי. ההיסטוריה של המדע מלאה בסיפורים של מדענים שסיפרו על "פרץ השראה", או תחושה, שגרמו להם לחפש ראיות שיתמכו או יפריכו את הרעיון שלהם. מיכאל פולני הפך את היצירתיות הזו לאבן היסוד בדיוניו אודות מתודולוגיה.

לפי ויליאם גלן:

ההצלחה של השערה, או תרומתה למדע, אינה רק ב"אמת" שהיא מגלמת, או יכולתה להחליף רעיון קודם, אלא אולי יותר ביכולתה לעורר את המחקר שיאיר... הנחות קרחות ואזורים של עמימות.

באופן כללי, מדענים נוטים לחפש תאוריות "יפות", או "אלגנטיות". בניגוד לשימוש המקובל במילים אלה, כאן הכוונה היא לתאוריה המתיישבות עם העובדות הידועות, אך פשוטות יחסית, וקלות לטיפול. התער של אוקאם משמש כלל אצבע לקביעת עניינים מסוג זה – לפיו, כאשר קיימים מספר הסברים אפשריים, ובהיעדר מידע נוסף, יש להעדיף את ההסבר שדורש פחות הנחות. לעניין זה, כאשר קיים הסבר הסותר תאוריה מוכרת ובדוקה, פעולה לפי התער משמעותה – להניח שהתאוריה המוכרת שגויה בדרך כלשהי.

תחזיות על סמך ההשערה

דוגמה: תחזיות DNA
כאשר ווטסון וקריק שיערו כי ל-DNA מבנה של סליל כפול, קריק חזה כי תמונת דיפרקציית רנטגן של ה-DNA תציג צורת X. במאמר הראשון שלהם חזו כי לצורת הסליל הכפול תהיה חשיבות בביולוגיה: "לא חמקה מאיתנו האפשרות כי הצימוד הספציפי ששיערנו רומז על מנגנון העתקה אפשרי של החומר הגנטי".

כל השערה מועילה תאפשר הפקת תחזיות, על ידי היסק לוגי, כולל דדוקציה. ההשערה תוכל לחזות תוצאת ניסוי במעבדה, או תצפית של התופעה בטבע; התחזית עשויה להיות סטטיסטית באופיה, ולדון רק בהסתברות.

תוצאת הניסוי יכולה לסייע לביסוס ההשערה רק אם התוצאה אינה ידועה בעת התחזית. אם התוצאה כבר ידועה, אין ערך לתחזית מסוג זה, וממילא התוצאה אמורה לשמש לניסוח ההשערה.

אם הניסויים המתבקשים לבדיקת התחזית אינם ניתנים לביצוע, ההשערה עדיין אינה שימושית לשיטה, ועליה לחכות לשלב מאוחר יותר, בו ייתכן כי טכנולוגיה או תאוריה חדשה יאפשרו בדיקת ההשערות.

השערתו של איינשטיין (1907): האור מתכופף בשדה כבידה

תורת היחסות הכללית

ניתן להפיק מספר תחזיות פרטניות מתורת היחסות הכללית של איינשטיין, לגבי המבנה הניתן לצפייה של מרחב-זמן; ביניהן, התחזית שאור מתכופף בשדה כבידה, ומידת הכיפוף תלויה באופן מדויק בעוצמת שדה הכבידה. תצפיותיו של ארתור אדינגטון בזמן ליקוי חמה בשנת 1919 תמכו בתורת היחסות הכללית, לעומת הכבידה הניוטונית.

ניסויים

ערך מורחב – ניסוי

דוגמה: ניסויי DNA
ווטסון וקריק הציעו מודל ראשוני (ושגוי) של מבנה ה-DNA בפני צוות מקינגס קולג' באוניברסיטת לונדון – רוזלינד פרנקלין, מוריס וילקינס וריימונד גוסלינג. פרנקלין זיהתה מיד פגמים בהשערות הראשוניות לגבי מבנה ה-DNA שהעלו ווטסון וקריק. בשלב זה פיקפקה פרנקלין במבנה הסלילי. מאוחר יותר, תצלום 51 שהכינה הראה צורת X, ועזר לאשש את השערת המבנה הסלילי. כשראו ווטסון וקריק תצלום זה, התעורר מחדש עניינם בפיתוח מודל למבנה ה-DNA, והם הגיעו לבסוף למבנה הנכון. (ראו: גילוי מבנה ה-DNA)

הבקרה חשובה מאוד. לאחר ניסוח התחזיות, ניתן לבדוק אותן בעזרת ניסויים. אם תוצאות הניסוי סותרות את התחזית, ההשערות מוטלות בספק, ומחפשים הסברים לתוצאות. לעיתים ניסויים אינן מבוצעים כראוי, ולכן מתקבלות תוצאות סותרות. הקפדה על תכנון וביצוע נכון, וביצוע מספר ניסויים בשיטות שונות, מסייעים להפחתת הסכנה בכשל מסוג זה. אם התוצאות מאששות את התחזיות, גדל הסיכוי לנכונות ההשערות, אך הן עדיין עשויות להיות שגויות, ודרושים ניסויים נוספים.

לניסויים ייתכנו צורות שונות, בהתאם לתחזיות. הניסוי עשוי להיות ניסוי קלאסי במעבדה, ניסוי סמיות כפולה מבוקר (double-blind), או חפירה ארכאולוגית. אפילו טיסה במטוס היא ניסוי בו נבחנות ההשערות האווירודינמיות ששימשו לבניית המטוס.

מדענים מאמצים גישה של פתיחות מצד עורכי הניסוי. חלק חיוני בתהליך הוא רישום מסודר של הפרטים והתצפיות במהלך הניסוי, המסייעים לדיווח על התוצאות, ומספקים הוכחות ליעילות וליושרה של הפרוצדורה. הרישומים מסייעים גם בחזרה על הניסוי, המבוצעת כדי לודא את נכונות התוצאות, או ביצוע הניסוי תוך שינוי אחד או יותר מהפרמטרים. ניתן למצוא עקבות לשיטה זו בעבודתו של היפרכוס (190–120 לפנה"ס), כאשר קבע ערך לפרצסיה של כדור הארץ. ניסויים מבוקרים ניתן למצוא בעבודתם של מדענים מוסלמים, כמו אבו מוסא ג'ביר איבן היין (721–815 לספירה), מוחמד איבן ג'ביר אל-הרני אל-בטני (853–929) ואיבן אל-היית'ם (965–1039).

הערכה וחזרה

בדיקה ושיפור

דוגמה: חזרות DNA
לאחר ניסויים רבים שלא נשאו פרי, חוסר תמיכה מצד הממונה עליהם, ומספר התחלות כושלות, ווטסון וקריק הצליחו להסיק את המבנה הבסיסי של ה-DNA על ידי פיתוח מודל של הצורות הפיזיות של הנוקלאוטידים המרכיבים אותו. הם התבססו על אורכי הקשר שמצא לינוס פאולינג ותמונות עקיפה קרני הרנטגן שיצרה רוזלינד פרנקלין.

ההתקדמות המדעית היא איטרטיבית. בכל שלב ניתן לעדן את הדיוק והנכונות של התהליך המדעי, כך שייתכן כי שיקול כלשהו יוביל מדען לחזור על שלב מוקדם יותר של התהליך. כישלון בניסיון לפתח השערה מעניינת עשוי להוביל את המדען להגדיר מחדש את נושא המחקר. כישלון השערה להפיק תחזיות בדיקות ומעניינות עשוי להוביל לדיון מחדש בהשערה או בהגדרת הנושא. כישלון הניסוי להפיק תוצאות מעניינות עשוי להוביל את המדען לבדיקה מחודשת של השיטה הניסיונית, ההשערה או הגדרת נושא המחקר.

מדענים אחרים עשויים להתחיל את המחקר שלהם ולהיכנס לתהליך בכל שלב. הם עשויים לאמץ את האפיון ולנסח השערה משלהם, או לאמץ את ההשערה ולהסיק השערות באופן עצמאי. לעיתים קרובות הניסוי לא נערך על ידי מנסח ההשערה, והאפיון מבוסס על ניסויים שביצע אדם אחר. תוצאות ניסויים שפורסמו יכולות גם הן לשמש כהשערה החוזה את יכולת החזרה עליהן (לקבלת אותן תוצאות).

אימות

המדע הוא מפעל חברתי, והעבודה המדעית מתקבלת על ידי הקהילה לאחר שאומתה. מרכיב קריטי באימות הוא חזרה על התוצאות הניסיוניות והתאורטיות על ידי אחרים בקהילה המדעית.

כדי להישמר מפני מדע רשלני ומידע כוזב, סוכנויות ממשלתיות המחלקות מענקי מחקר, כמו הקרן הלאומית למדע וכתבי עת מדעיים כמו Nature ו-Science דורשים כי החוקרים יארכבו את המידע והשיטות בהם השתמשו; זאת על מנת לאפשר לחוקרים אחרים לבחון את המידע והשיטות, ולהתבסס על מחקר קודם במחקריהם שלהם. בארצות הברית מידע מדעי ניתן לארכב במספר ארכיונים לאומיים, או במרכז המידע העולמי.

פילוסופיה וסוציולוגיה של המדע

ערך מורחב – פילוסופיה של המדע, סוציולוגיה של המדע

פילוסופיה יוונית

המודל הקלאסי מתבסס על עבודתו של אריסטו, שהבחין בין צורות ההיקש הלוגי המדויק והמקורב, הגדיר את סכמת הטיעון הרטרודוקטיבי המשולשת והטיעון ההיקשי, וכמו כן טיפל בצורות מעורבות כמו היקש בעזרת אנלוגיה.

האמפיריציזם האנגלי והרציונליזם

בעבודתו Novum Organum (משנת 1620) (השם מתייחס לאורגנון של אריסטו), תיאר פרנסיס בייקון שיטה חדשה של היגיון, המיועדת לשפר את התהליך הפילוסופי הוותיק של סילוגיזם.

ב-1637 יסד רנה דקארט את העקרונות המנחים של השיטה המדעית, בחיבורו "מאמר על המתודה". כתבי אל-היית'ם, בייקון ודקארט נחשבים קריטיים בהתפתחות ההיסטורית של השיטה המדעית המודרנית.

המודל הפרגמטי של צ'ארלס פרס

בסוף המאה ה-19 ניסח צ'ארלס פרס סכימה רבת השפעה על התפתחות השיטה המדעית בכללותה. פרס האיץ את ההתקדמות בכמה חזיתות. ראשית, כאשר דן בנושא "כיצד להפוך את רעיונותינו לברורים יותר" (1878), שרטט שיטה לבדיקת אֲמִתּוּת מידע משוער באופן ניתן לווידוא אובייקטיבי; בתיאורו התקדם מעבר לאלטרנטיבות יסודיות, והתמקד גם בדדוקציה וגם באינדוקציה. כלומר, הציב את האינדוקציה והדדוקציה כמשלימות, ולא כגישות מתחרות (כפי שהוצגו עד אז, לפחות מאז דייוויד יום, שכתב במחצית השנייה של המאה ה-18).

צ'ארלס פרס (1839–1914), ראה את החקר המדעי כמין של הסוג "חקר", אותו הגדיר ככל אמצעי לקביעת אמונה, כלומר, כל אמצעי להגעה לדעה מיושבת בנושא הנדון. הוא ראה כי חקר, באופן כללי, מתחיל במצב של אי-ודאות, ומתקדם לכיוון ודאות, לפחות ברמה המספיקה להפסקת החקר באותה עת.

פרס תיאר את דרך הפעולה הבסיסית לשיטת ההשערה וניסוי. פרס שאב את תורת החקר ממרכיביה הבסיסיים בהיגיון הקלאסי, וזיקק אותה במקביל לפיתוח המוקדם של לוגיקה סימבולית לפתירת הבעיות בהסקת המסקנות המדעית של אותם ימים. פרס בחן וביטא את שלושת המצבים הבסיסיים של תהליך החשיבה המדעי, שמשחקים תפקיד מרכזי במחקר המודרני – אלה הם רטרודוקציה, דדוקציה ואינדוקציה. שלישית, פרס שיחק תפקיד חשוב בפיתוח הלוגיקה הסימבולית, למעשה בכך התמחה.

לדעת פרס, בעניינים מעשיים, הסקת מסקנות איטית אינה עדיפה בהכרח על אינסטינקט ומסורת, וחשב שהשיטה המדעית היא המתאימה ביותר לחקר תאורטי. יתרונה הגדול של השיטה המדעית על פני אחרות, הוא בכך שהיא מתוכננת להגעה למסקנות איתנות, עליהן ניתן לבסס פעולות מוצלחות. ב-1877, שרטט ארבע שיטות לקביעת דעה, דהיינו, יישוב הספק, ודירג אותן לפי מידת ההצלחה שלהן בהגעה ליישוב דעה מבוסס.

1. שיטת העקשנות – היצמדות לאמונות שבהן מחזיק האדם.
2. שיטת הסמכות – קבלת מוסכמות ממקור לאמונות מוכנות.
3. שיטת ההתאמה, או אפריורי, או דילטנט, או "מה שסביר לחשוב" – המפיקה נימוקים שאינם מובילים לדבר.
4. השיטה המדעית.

פרס אפיין את השיטה המדעית במונחים של שימוש בהסקת מסקנות, והדגיש במיוחד פיתוח הסברים. הוא הגדיר "אמת" כהתאמה של סימן (במיוחד – הצעה) לאובייקט הנדון, ובאופן פרגמטי, לא כקונצנזוס של כל קהילה סופית (כלומר, שחקירה בעניין תהיה פנייה למומחים לקבלת תשובות), אלא כדעה הסופית האידיאלית, אליה יגיעו כל החוקרים המדעיים באופן הגיוני, במוקדם או במאוחר, אם יחקרו מספיק לעומק.

במקביל, הגדיר את הממשי כאובייקט של סימן אמיתי (אובייקט זה יכול להיות אפשרות או תכונה, ממשות או עובדה קרה, הכרח או נורמה או כלל), שהוא מה שהוא ללא תלות בדעתה של קהילה סופית כלשהי, ופרגמטית, תלוי רק בדעה הסופית האידיאלית. דעה זו יכולה להיות קרובה או רחוקה מאיתנו כמו האמת עצמה. כלומר, התאוריה של פרס מתמצה ל"בצעו את המחקר". הוא אפיין את השיטה המדעית כדלקמן:

1. רטרודוקציה – ניסוח השערה הסברתית. פרס מבחין בין רטרודוקציה לאינדוקציה, אותה הוא מגדיר כהסקת מסקנה, כתוצאה של ניסויים, לגבי רמת הנכונות של השערה. כל חקירה, בין אם של רעיונות, עובדות, או נורמות וכללים, נובעת מתצפיות מפתיעות בתחום כלשהו, והרהור בתופעה על כל צדדיה בניסיון לפתור את החידה. כל התוכן ההסברי של תאוריות מתקבל כתוצאה מרטרודוקציה, שיטת ההיסק הלא בטוחה ביותר. כתהליך, אינדוקציה אטית מדי לעבודה מסוג זה, ולכן כדי לחסוך בזמן, דרושה רטרודוקציה. כדי להצליח, דורשת שיטה זו הבנה כלשהי של הטבע, בעזרת לימוד ואינטואיציה. הצידוק הכללי לרטרודוקציה נובע מאינדוקציה – שיטה זו עובדת לעיתים קרובות מספיק, ושום דבר אחר לא עובד, או לפחות לא עובד מספיק מהר. פרס קורא לפרגמטיזם שלו "הלוגיקה של רטרודוקציה" (במקור – The Logic of Abduction). הפתגם הפרגמטי (Pragmatic Maxim) שלו הוא: "חשוב אילו אפקטים בעלי משמעות מעשית אתה חושב שיש לאובייקט אותו אתה שוקל. אם כך, התפיסה שלך של האפקטים הללו, היא כל תפיסתך את האובייקט". הפרגמטיזם שלו היא שיטה לפתרון בלבול קונספטואלי, על ידי השוואת משמעות כל מושג לכלל ההשלכות המעשיות שיכולות להיות לאותו מושג. זוהי שיטה של ניתוח מחשבתי ניסוי, המגיע לרעיונות במושגים של נסיבות מאששות ומפריכות – שיטה שימושית ליצירת השערות הסברתיות, אותן ניתן לבחון. הרטרודוקציה תלויה בתהליכים מחשבתיים, מודעים ולא-מודעים, אך כאלה שדורשים הבנה של טבע. בהתחשב בצורך שמוביל לרטרודוקציה, הרצון לקצר את תהליך החקר, ההסברים שהיא מציעה צריכים להיות פשוטים ככל האפשר, במובן של "טבעיים" (פרס מצטט לשם כך את עבודתו של גלילאו, ומבחין בין דרישה זו לבין "פשטות לוגית"). עקב חוסר הביטחון הבסיסי של רטרודוקציה, צריכות להיות לתוצאותיה השפעות פרקטיות כלשהן, המובילות לפחות למבחן מנטלי, ובמדע – לניסוי מדעי.
2. דדוקציה – ניתוח ההשערה, והסקת השלכותיה, על מנת לבחון את נכונותה. לחלק זה שני שלבים:
   1. הסבר – ניתוח לוגי של ההשערה, כדי להגדיר אותה באופן ברור ככל האפשר.
   2. הדגמה (או הנמקה דדוקטיבית) – הסקת מסקנות לגבי תוצאות ההשערה.
3. אינדוקציה – תקפות כלל האינדוקציה לטווח ארוך נובעת מהעיקרון (העומד בבסיס הסקת המסקנות באופן כללי), שהממשי הוא רק אובייקט של הדעה הסופית אליה ניתן להגיע בחקירה סבירה. במילים אחרות, אובייקט אליו לעולם לא ניתן להגיע בתהליך אינדוקטיבי של ניסוי ותצפית, אינו ממשי. לחלק זה שלושה שלבים:
   1. מיון – מיון אובייקטים תחת רעיונות כללים.
   2. ניסיון (או הנמקה אינדוקטיבית ישירה): גס (ספירת מקרים), או הדרגתי (הערכה חדשה של שיעור האמת בהשערה לאחר כל ניסוי). אינדוקציה הדרגתית יכולה להיות כמותית או איכותית; אם כמותית, היא תלויה במדידות, סטטיסטיקה או ספירות.
   3. אינדוקציה של משפטים – "המשמשת, בעזרת היסקים אינדוקטיביים, להערכת הניסיונות השונים בנפרד, או את שילוביהם, ואז מפיקה הערכה עצמית של כל אחת מההערכות הללו, ופוסקת פסיקה סופית על התוצאה כולה".

השיטה המדעית בפילוסופיה של המדע החל מהמאה העשרים

פופר והאמפיריציזם הלוגי

בין שנות השלושים לשנות השמונים של המאה ה-20 התחולל ויכוח עז בקרב פילוסופים של המדע לגבי השאלה האם קיימת שיטה מדעית, ומהי. ההקשר בו התקיים הוויכוח היה הדיון בשאלה הרחבה יותר האם קיימת רציונליות מדעית, ומהי, ובמיוחד מהם הקריטריונים הרציונליים לבחירה בין תאוריות מדעיות מתחרות. השיטה המדעית, אם היא קיימת, תפתור את הבעיה הזאת מיד, משום שהיא תספק קריטריון מוסכם כזה לבחירה בין תאוריות מתחרות.

בפילוסופיה של המדע של המאה עשרים התגבשה הבחנה בין הקשר הגילוי להקשר הצידוק. הקשר הגילוי הוא המסגרת שבה מגיעים מדענים לתגליותיהם. הקשר הצידוק הוא התהליך שבו נותנים המדענים פשר לתגליותיהם באמצעות המסגרת התאורטית שבה הם פועלים. לפי העמדה האמפיריציסטית המסורתית, קיימת לוגיקה או שיטה הן של גילוי מדעי והן אישוש התגליות. לוגיקה זו מבוססת על אינדוקציה, כלומר על הסקת חוקים כלליים ממקרים פרטיים. עמדה זו מזוהה עם האמפיריציזם האנגלי המסורתי (ג'ון לוק, רוג'ר בייקון) וכן עם מספר חברים בפוזיטיביזם הלוגי.

בספרו "הלוגיקה של הגילוי המדעי" (1934) טען פילוסוף המדע קרל פופר, נגד העמדה האמפיריציסטית המסורתית, כי לא זו בלבד שאין לוגיקה או שיטה מסודרת של גילוי במדע, אלא שזה גם מצב רצוי. אולם, לפי פופר, הקשר הצידוק נשלט על ידי מתודה מדעית חמורה ולוגיקת הפרכה, שבה הם מעלים השערות נועזות ביחס לגילויים ומנסים להפריך אותן על ידי ביצוע ניסויים. גם לפי הנס רייכנבך אין לוגיקת גילוי – תהליך הגילוי נשלט על ידי כישרון, דמיון ואינטואיציה – אך לשיטתו תהליך הצידוק נשלט לא על ידי לוגיקת הפרכה אלא על ידי לוגיקת אישוש. פופר התנגד למושג האישוש, וטען שלכל תאוריה ניתן למצוא אישושים למכביר, כלומר אם רוצים ניתן לפרש כל תופעה כמאששת תאוריה, ולכן ערכה של תאוריה נמדד רק בניסיונות להפריכה.

הטענה שאין לוגיקת גילוי התקבלה על מרבית הפילוסופים, אך לא על כולם. מבין הבולטים שהמשיכו לטעון בזכות לוגיקת גילוי נמצא נורווד הנסון, שטען כי גם אם אין מתכון שלפיו מדענים יכולים לפעול כדי להגיע לגילוי, המבנה הלוגי של טיעונים לפיהן טענה p היא אמיתית (לוגיקת צידוק) שונה מהמבנה הלוגי של טיעונים לפיהן טענה p היא אפשרית או סבירה (לוגיקת גילוי). לשיטתו, טענות מהסוג השני הן טענות של היסק להסבר הטוב ביותר, שבו מדענים מנסים לנחש את חוק הטבע שיסביר בצורה הטובה ביותר את התופעות.

גם קיומה של לוגיקת צידוק הועמד בסימן שאלה. הן השיטה המדעית שהציג קרל פופר המבוססת על עקרון ההפרכה והן שיטות האישוש של האמפיריציזם הלוגי עומדות בפני בעיית תת-ההיקבעות של תאוריות על ידי הנתונים (underdetermination of theory by data). לפי טיעון תת-ההיקבעות, המזוהה עם הפילוסופים דוהם וקוויין, כל מערכת נתונים אמפיריים עולה בקנה אחד עם יותר מתאוריה אחת, ואולי עם אינסוף תאוריות. משמעות הטענה היא שהשערה לעולם לא נבדקת ביחידות, אלא כל התאוריה נבדקת בצורה הוליסטית. כאשר השערה מופרכת, תמיד ניתן לשנות את אחת ההנחות התאורטיות, או אחת ההנחות על האופן שבו פועלים מכשירי המדידה וכו', כדי "להציל את התאוריה". פופר אינו מספק קריטריון מתי יש להפסיק לנסות להציל את התאוריה ולאמץ תאוריה חדשה, ולכן ניתן לטעון שהוא לא ניסח את השיטה המדעית, לפחות לא בשלמותה.

בפילוסופיה המאוחרת שלו פופר מודה בקיומה של בעיה זו ומדגיש כי מבחן ההפרכה הוא קריטריון לוגי להבחנה בין מדע ללא-מדע, ולא מתכון או שיטה שמדענים יכולים ליישם הלכה למעשה. בנוסף, הוא מכיר בכך שגם לחשיבה דוגמטית לא מוגזמת, המתבטאת בניסיונות מתונים להציל את התאוריה, יש ערך במדע. לשיטתו של פופר המאוחר, אין שיטה מדעית בדמות פרוצדורה שאחריה מדענים יכולים לעקוב, אלא הערובה לגידול הידע באמצעות מחקר מדעי היא בסופו של דבר חברה פתוחה בעלת נורמות של חשיבה ביקורתית ומוסדות חברתיים המגינים עליהן.

שנות השישים: המפנה ההיסטורי בפילוסופיה של המדע

תומאס קון חקר את ההיסטוריה של המדע בספרו "המבנה של מהפכות מדעיות". קון טען כי המדע מתקדם באמצעות מהפכות. תאוריה מדעית היא חלק ממכלול שקון מכנה "פרדיגמה". כאשר מהפכה מדעית מתרחשת, מדענים מאמצים פרדיגמה חדשה במקום הישנה. קון טען שהסטנדרטים להערכת תאוריות הם פנימיים לפרדיגמה. כאשר פרדיגמה מתחלפת, גם הסטנדרטים מתחלפים. לפי קון, אפוא, לא קיימת שיטה מדעית חיצונית לפרדיגמה. אמנם, ישנם ערכים המשותפים לכל המדענים כגון פשטות, פוריות וכו' שבאמצעותם הם מעריכים תאוריות, אבל הם כלליים מידי מכדי לאפשר הכרעה בין פרדיגמות מתחרות. ספרו של קון היווה בעצמו שינוי פרדיגמה בפילוסופיה של המדע והביא להתמקדות במקרי מבחן היסטוריים כדי לטעון טענות פילוסופיות.

הפילוסוף אימרה לקטוש הציג "מודל ביניים" בין פופר לקון. לקטוש האמין בקיומן של "תוכניות מחקר". תוכנית מחקר נשלטת על ידי עקרונות מטאפיזיים כלליים, הכוללים העדפות קוגניטיביות כגון השגת פשטות או דיוק ואמונות כלליות על טבע העולם, למשל: אבני היסוד של העולם הן חלקיקים בעלי כוחות משיכה ודחייה. העקרונות המטאפיזיים קובעים את שיטות המחקר, אולם אין הכרח שיביאו להצלחתו. מדענים בוחרים (בחירה רציונלית) לנטוש תוכנית מחקר אחת ולהעדיף את השנייה כאשר נראה שאחת מובילה למבוי סתום. תוכנית מחקר מוצלחת היא כזו, למשל, שמספקת ניבויים חדשים על העולם, ולא מסתפקת בהסברת התופעות הידועות זה מכבר.

פול פייראבנד מייצג את הדעה הקיצונית ביותר לגבי אי היתכנותה של השיטה המדעית. גם הוא בחן את ההיסטוריה של המדע, וטען כי המדע למעשה אינו תהליך מתודולוגי. בספרו "נגד המתודה" טען שהתקדמות המדע אינה התוצאה של יישום שיטה מסוימת, ושזהו מצב רצוי. פיירבראנד טוען כי "הכל הולך" במחקר מדעי, ומתכוון כי עבור כל מתודולוגיה או נורמה מקובלת במדע, ניתן לזהות מחקר מדעי מוצלח הסותר אותה. פייראבן ביסס את טענתו על מחקר היסטורי של גלילאו. לפי פייארבנד, גלילאו התעקש התעקשות דוגמטית על חלק מטענותיו, ובכך סטה מהעקרונות המיוחסים לשיטה המדעית. הכוונה המקורית הייתה שפייראבנד ולקטוש יכתבו ספר משותף שבו פייארבנד יטען נגד השיטה מדעית ולקטוש בעדה, אבל לקטוש נפטר לפני כתיבת הספר.

ביקורות מסוג זה הובילו לתוכנית החזקה , גישה רדיקלית לסוציולוגיה של המדע.

הכימאי והפילוסוף מיכאל פולני (1891–1976) בספרו "ידע אישי" משנת 1958, ביקר את הראייה המקובלת שהשיטה המדעית היא אובייקטיבית לגמרי ומייצרת ידע אובייקטיבי. לדידו ראייה זו היא תוצאה של אי-הבנת השיטה המדעית ואופי החקר המדעי באופן כללי. הוא טען כי מדענים חייבים לפעול גם לפי נקודות עניין אישיות בהערכת עובדות וההחלטה איזה שאלות מדעיות לחקור, וכך הם גם עושים בפועל. הוא סיכם כי יש צורך במבנה מסוים של חירות בשיטה למען התקדמות המדע – החופש של מדענים לשאוף לחקר מדעי למטרת ידע הוא דרישה מוקדמת לייצור ידע דרך ביקורת עמיתים והשיטה המדעית.

המבקרים הפוסטמודרניסטים של המדע היו בעצמם מטרה לחיצי ביקורת ודיונים סוערים. הדיון המתמשך, הידוע בכינוי מלחמות המדע, הוא התוצאה של הנחות וערכים מנוגדים בין הצדדים, הפוסטמודרניסטים מחד, והריאליסטים המדעיים מאידך. בעוד הפוסטמודרניסטים טוענים כי הידע המדעי הוא רק עוד סוג של דיון, ואינו מייצג אמת בסיסית יותר, הריאליסטים בקהילה המדעית מחזיקים בדעה כי הידע המדעי מגלה אֲמִיתוֹת בסיסיות על המציאות. מדענים רבים כתבו ספרים העוסקים בבעיה זו, ומבקרים את הגישה הפוסטמודרנית לעניין.

תקשורת, קהילה, תרבות

לעיתים קרובות לא אדם אחד מיישם את השיטה המדעית, אלא מספר אנשים בשיתוף פעולה ישיר או עקיף. שיתוף פעולה כזה הוא אחד האלמנטים המגדירים את הקהילה המדעית. פותחו מספר טכניקות להבטחת שלמות השיטה המדעית בסביבה זו.

ביקורת עמיתים

כתבי עת מדעיים משתמשים בתהליך של ביקורת עמיתים, בו המאמרים המוגשים לכתב העת על ידי מדענים מועברים למדענים בתחום (בדרך כלל אחד עד שלושה), בדרך כלל באופן אנונימי. מדענים אלה יכולים להמליץ על פרסום המאמר, אי פרסומו, פרסומו בשינויים מוצעים, או, לעיתים, פרסום בכתב עת אחר. שיטה זו משמשת לשמירת האיכות של הספרות המדעית, צמצום השגיאות, והרחקה של עבודה לא מדעית והונאות למיניהן. בדרך כלל אין מסתכלים בחיוב על עבודה שעיקריה פורסמו כבר בעיתונות הפופולרית (מכיוון שעוד לא עברה חלק חשוב בתהליך המדעי). לעיתים תהליך הביקורת עשוי לדכא את הפרסום של עבודות לא-שמרניות, במיוחד כאלה העשויות לערער את היסודות המקובלים בתחום מסוים, אך לעיתים התהליך עשוי להיות דווקא מתירני מדי. לעיתים מתבטאים חסרונות אחרים, כמו העדפת מקורבים ומשוא פנים (פרוטקציה). תהליך ביקורת העמיתים לא תמיד מצליח, אך הקהילה המדעית אימצה אותו באופן נרחב, כמעט מוחלט.

תיעוד וחזרה

לעיתים נסיינים מבצעים טעויות מערכתיות בניסוייהם, וסוטים באופן לא-מודע מהשיטה המדעית (עד כדי מדע פתולוגי) מסיבות שונות, ובמקרים נדירים אף מזייפים את תוצאותיהם במודע. לעיתים קיימים כשלים שהנסיינים אינם מודעים להם, וגורמים לשגיאה משמעותית בתוצאות, כמו תקלה במכשיר, זיהום בחומרים בניסוי, ועוד. מסיבות אלה ואחרות, מדענים אחרים מנסים לחזור על הניסוי, במטרה לאמת את התוצאות, וכך מסייעים לאישוש ההשערות.

ארכוב

על החוקרים לשמור על תיעוד מלא של הניסויים שערכו. תיעוד זה כולל את מטרות הניסויים, הפרטים הטכניים של הפרוצדורה, תצפיות במהלך הניסוי, ניתוחים סטטיסטיים ועוד. תיעוד זה מאפשר בדיקת איכות הניסויים והפרוצדורות לניתוחם, וחזרה עליהם כדי לאשש או להפריך את מסקנותיהם. תיעוד הפרוצדורות הללו עשוי לסייע בניסוח ניסויים חדשים לבחינת ההשערה, ויכולות להועיל למהנדסים שמנסים לבדוק את יכולת היישום של התגלית.

מגבלות התיעוד

המדען לא יכול לתעד כל מה שקרה בניסוי. עליו לבחור את העובדות הרלוונטיות לניסוי, לפי הבנתו. עובדה זו עלולה להוביל לבעיות בשלב מאוחר יותר, כאשר עובדה לכאורה לא-רלוונטית דרושה לבחינת התוצאות. לדוגמה, היינריך הרץ לא דיווח על גודל החדר בו השתמש לבחינת משוואות מקסוול. מאוחר יותר התברר כי עניין זה עמד מאחורי סטייה קטנה בתוצאות. הבעיה היא שיש להניח חלקים מסוימים מהתאוריה (אילו גורמים משפיעים על התוצאות), כדי לבחור ולדווח על תנאי הניסוי. לכן תצפיות אלה מתוארות לעיתים כ"טעונות-תאוריה".

הקשר למתמטיקה

מדע הוא תהליך איסוף, השוואה והערכה של מודלים מוצעים מול גדלים מדידים. מודל יכול להיות סימולציה, נוסחה מתמטית או כימית, משוואה דיפרנציאלית או מערך שלבים מוצעים. מדע דומה למתמטיקה בכך שחוקרים בשני התחומים יכולים להבחין בבירור בין ה"ידוע" ל"לא ידוע" בכל שלב של הגילוי. מודלים, במדע ובמתמטיקה, צריכים להיות עקביים פנימית וניתנים להפרכה. במתמטיקה, בשלב ראשון עוד אין צורך להוכיח הצהרה; בשלב זה ההצהרה נקראת השערה. אך לאחר שזכתה להוכחה מתמטית, ההצהרה זוכה לסוג של אלמותיות; מתמטיקאים שואפים לכך, בדומה לחשיבות תגליות מדעיות, ורבים מקדישים לכך את חייהם.

עבודה מתמטית ועבודה מדעית יכולות להוות השראה זו לזו, ואינן נפרדות. עבודתו של ג'ורג' פוליה בפתרון בעיות, בניית הוכחות מתמטיות, והיוריסטיקה מראות כי השיטה המתמטית והשיטה המדעית שונות בפרטיהן, אך דומות בשימוש באיטרציה או שלבים רקורסיביים.

גישות חישוביות

תת-התמחויות רבות של מדעי המחשב ולוגיקה יישומית עוסקים בהגדרת מסגרת חישובית, לוגית וסטטיסטית להסקת המסקנות המעורבת במחקר מדעי, ובמיוחד ניסוח השערות, דדוקציה לוגית ובדיקה אמפירית. בין תת-ההתמחויות – בינה מלאכותית, למידה חישובית, תיאורית למידה חישובית, הסקה סטטיסטית וייצוג ידע. חלק מהיישומים הללו מתבססים על מידות של סיבוכיות מתיאורית מידע אלגוריתמית כדי להנחות את הפקת התחזיות מהתפלגות של ניסיון.

	השיטה המתמטית	השיטה המדעית
1	הבנה	אפיון
2	אנליזה	השערה
3	סינתזה	דדוקציה
4	סקירה/הרחבה	בדיקה וניסוי

לפי פוליה, הבנה כוללת ניסוח מחדש של הגדרות לא ברורות במילות החוקר, שימוש בשרטוטים גאומטריים, והטלת ספק במה שאנו כבר יודעים או לא יודעים. את הגדרת האנליזה, שואל פוליה מפאפוס מאלכסנדריה, והיא משלבת בנייה חופשית והיוריסטית של טיעונים מתקבלים על הדעת, בנסיגה אחורה מהמטרה, ותכנון תוכנית לבניית ההוכחה; סינתזה היא הצגת פרטי ההוכחה, שלב אחר שלב, במובן האוקלידי; סקירה כוללת שיקול מחדש ובחינה חוזרת של התוצאה ומסלול ההוכחה להגעה אליה.

ראו גם

• אישוש
• ניסוי
• מחקר
• פרדוקס העורב
• אינדוקציה
• כשל לוגי
• השערה (מדע)
• הפרכה
• תאוריה
• מטא-תאוריה

לקריאה נוספת

• Francis Bacon Novum Organum (The New Organon), 1620. Bacon's work described many of the accepted principles, underscoring the importance of theory, empirical results, data gathering, experiment, and independent corroboration.
• Henry H. Bauer, Scientific Literacy and the Myth of the Scientific Method, University of Illinois Press, Champaign, IL, 1992
• William I. B. Beveridge, The Art of Scientific Investigation, Vintage/Alfred A. Knopf, 1957.
• Richard J. Bernstein, Beyond Objectivism and Relativism: Science, Hermeneutics, and Praxis, University of Pennsylvania Press, Philadelphia, PA, 1983.
• Stevo Bozinovski, Consequence Driven Systems: Teaching, Learning, and Self-Learning Agents, GOCMAR Publishers, Bitola, Macedonia, 1991.
• Baruch A. Brody, and Richard E. Grandy, Readings in the Philosophy of Science, 2nd edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989.
• Arthur W. Burks, Chance, Cause, Reason — An Inquiry into the Nature of Scientific Evidence, University of Chicago Press, Chicago, IL, 1977.
• Noam Chomsky, Reflections on Language, Pantheon Books, New York, NY, 1975.
• John Dewey, How We Think, D.C. Heath, Lexington, MA, 1910. Reprinted, Prometheus Books, Buffalo, NY, 1991.
• John Earman (ed.), Inference, Explanation, and Other Frustrations: Essays in the Philosophy of Science, University of California Press, Berkeley & Los Angeles, CA, 1992.
• Bas C. van Fraassen, The Scientific Image, Oxford University Press, Oxford, UK, 1980.
• Paul Feyerabend, Against Method, Outline of an Anarchistic Theory of Knowledge, 1st published, 1975. Reprinted, Verso, London, UK, 1978.
• Hans-Georg Gadamer, Reason in the Age of Science, Frederick G. Lawrence (trans.), MIT Press, Cambridge, MA, 1981.
• Ronald N. Giere (ed.), Cognitive Models of Science, vol. 15 in 'Minnesota Studies in the Philosophy of Science', University of Minnesota Press, Minneapolis, MN, 1992.
• Ian Hacking, Representing and Intervening, Introductory Topics in the Philosophy of Natural Science, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1983.
• Werner Heisenberg, Physics and Beyond, Encounters and Conversations, A.J. Pomerans (trans.), Harper and Row, New York, NY 1971, pp. 63–64.
• Gerald Holton, Thematic Origins of Scientific Thought, Kepler to Einstein, 1st edition 1973, revised edition, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1988.
• William Stanley Jevons, The Principles of Science: A Treatise on Logic and Scientific Method, 1874, 1877, 1879. Reprinted with a foreword by Ernst Nagel, Dover Publications, New York, NY, 1958.
• Thomas Kuhn, "The Function of Measurement in Modern Physical Science", ISIS 52(2), 161–193, 1961.
• Kuhn, Thomas S., The Structure of Scientific Revolutions, University of Chicago Press, Chicago, IL, 1962. 2nd edition 1970. 3rd edition 1996.
• Kuhn, Thomas S., The Essential Tension, Selected Studies in Scientific Tradition and Change, University of Chicago Press, Chicago, IL, 1977.
• Bruno Latour, Science in Action, How to Follow Scientists and Engineers through Society, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1987.
• John Losee, A Historical Introduction to the Philosophy of Science, Oxford University Press, Oxford, UK, 1972. 2nd edition, 1980.
• Nicholas Maxwell, The Comprehensibility of the Universe: A New Conception of Science, Oxford University Press, Oxford, 1998. Paperback 2003.
• William McComas, ed. The Principle Elements of the Nature of Science: Dispelling the Myths, from The Nature of Science in Science Education, pp53–70, Kluwer Academic Publishers, Netherlands 1998.
• Cheryl J. Misak, Truth and the End of Inquiry, A Peircean Account of Truth, Oxford University Press, Oxford, UK, 1991.
• Allen Newell, Unified Theories of Cognition, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1990.
• Charles Sanders Peirce, Essays in the Philosophy of Science, Vincent Tomas (ed.), Bobbs–Merrill, New York, NY, 1957.
• Charles Sanders Peirce, "Lectures on Pragmatism", Cambridge, MA, March 26 – May 17, 1903. Reprinted in part, Collected Papers, CP 5.14–212. Reprinted with Introduction and Commentary, Patricia Ann Turisi (ed.), Pragmatism as a Principle and a Method of Right Thinking: The 1903 Harvard "Lectures on Pragmatism", State University of New York Press, Albany, NY, 1997. Reprinted, pp. 133–241, Peirce Edition Project (eds.), The Essential Peirce, Selected Philosophical Writings, Volume 2 (1893–1913), Indiana University Press, Bloomington, IN, 1998.
• Charles Peirce, Collected Papers of Charles Sanders Peirce, vols. 1–6, Charles Hartshorne and Paul Weiss (eds.), vols. 7–8, Arthur W. Burks (ed.), Harvard University Press, Cambridge, MA, 1931–1935, 1958. Cited as CP vol.para.
• Massimo Piattelli-Palmarini (ed.), Language and Learning, The Debate between Jean Piaget and Noam Chomsky, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1980.
• Henri Poincaré, Science and Hypothesis, 1905, Eprint
• Karl Popper, The Logic of Scientific Discovery, 1934, 1959 (The Logic of Scientific Discovery)
• Karl Popper, Unended Quest, An Intellectual Autobiography, Open Court, La Salle, IL, 1982.
• Hilary Putnam, Renewing Philosophy, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1992.
• Richard Rorty, Philosophy and the Mirror of Nature, Princeton University Press, Princeton, NJ, 1979.
• Wesley C. Salmon, Four Decades of Scientific Explanation, University of Minnesota Press, Minneapolis, MN, 1990.
• Abner Shimony, Search for a Naturalistic World View: Vol. 1, Scientific Method and Epistemology, Vol. 2, Natural Science and Metaphysics, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1993.
• Paul Thagard, Conceptual Revolutions, Princeton University Press, Princeton, NJ, 1992.
• John Ziman (2000). Real Science: what it is, and what it means. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא השיטה המדעית בוויקישיתוף

• שיטות מדעיות ספר מקוון מאת ריצ'רד ד. ג'ררד.
• technology/research-method השיטה המדעית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• Understanding Science 101, אוניברסיטת קליפורניה בברקלי אתר הסבר על יסודות המדע
• מדע – מתודולוגיה, דף שער בספרייה הלאומית
• השיטה המדעית, באתר אנציקלופדיית ההיסטוריה העולמית (באנגלית)

הערות שוליים

ערך מומלץ