Metodo scientifico

Ciò che distingue un metodo scientifico di indagine è una domanda nota come "il criterio". È una risposta alla domanda: c'è un modo per dire se un concetto o una teoria è scienza, rispetto a qualche altro tipo di conoscenza o credenza? Ci sono state molte idee su come dovrebbe essere espresso. I positivisti logici pensavano che una teoria fosse scientifica se poteva essere verificata; ma Karl Popper pensava che questo fosse un errore. Pensava che una teoria non fosse scientifica a meno che non ci fosse un modo per confutarla. D'altra parte, Paul Feyerabend pensava che non ci fosse alcun criterio. Per lui, "tutto va bene", o qualsiasi cosa funziona, funziona.

Gli scienziati cercano di lasciare che la realtà parli da sola. Sostengono una teoria quando le sue previsioni sono confermate, e la contestano quando le sue previsioni si dimostrano false. I ricercatori scientifici offrono ipotesi come spiegazioni dei fenomeni e progettano esperimenti per testare queste ipotesi. Poiché le grandi teorie non possono essere testate direttamente, lo si fa testando le previsioni derivate dalla teoria. Questi passi devono essere ripetibili, per evitare errori o confusioni da parte di un particolare sperimentatore.

L'indagine scientifica è generalmente intesa ad essere il più obiettiva possibile. Per ridurre le interpretazioni distorte dei risultati, gli scienziati pubblicano il loro lavoro, e quindi condividono dati e metodi con altri scienziati.

La scienza e le cose che non sono scienza (come la pseudoscienza) sono spesso distinte dal fatto che usano il metodo scientifico. Una delle prime persone a creare uno schema dei passi del metodo scientifico fu John Stuart Mill.

Non esiste un solo metodo scientifico. Alcuni campi della scienza sono basati su modelli matematici, come la fisica e la scienza del clima. Altri campi, come molti campi delle scienze sociali, hanno teorie approssimative e si basano più su modelli che emergono dai loro dati. A volte gli scienziati si concentrano sul testare e confermare le ipotesi, ma anche l'esplorazione aperta è importante. Alcuni campi scientifici usano esperimenti di laboratorio. Altri raccolgono osservazioni da situazioni del mondo reale. Molte aree della scienza sono quantitative, enfatizzando i dati numerici e l'analisi matematica. Ma alcune aree, specialmente nelle scienze sociali, usano metodi qualitativi, come interviste o osservazioni dettagliate del comportamento umano o animale. Concentrarsi troppo su un tipo di metodo può portarci a ignorare la conoscenza prodotta usando altri metodi.

Alcuni libri di testo si concentrano su un unico "metodo scientifico" standard. Questa idea di un unico metodo scientifico è in gran parte basata su aree sperimentali, di verifica delle ipotesi e quantitative della scienza. Non si applica molto bene ad altre aree della scienza. È spesso scritto come un numero di passi:

1. Fai una domanda sul mondo. Tutto il lavoro scientifico inizia con una domanda da porre o un problema da risolvere. ^{I, p9} A volte la domanda giusta è la parte più difficile per uno scienziato. La domanda dovrebbe avere una risposta tramite un esperimento.
2. Creare un'ipotesi - una possibile risposta alla domanda. Un'ipotesi nella scienza è una parola che significa "Un'ipotesi educata su come funziona qualcosa". Dovrebbe essere possibile dimostrarla giusta o sbagliata. Per esempio, un'affermazione come "Il blu è un colore migliore del verde" non è un'ipotesi scientifica. Non può essere dimostrata giusta o sbagliata. "A più persone piace il colore blu che il verde" potrebbe essere un'ipotesi scientifica, però, perché si potrebbe chiedere a molte persone se il blu piace più del verde e ottenere una risposta in un senso o nell'altro.
3. Progettare un esperimento. Se l'ipotesi è veramente scientifica, dovrebbe essere possibile progettare un esperimento per testarla. Un esperimento dovrebbe essere in grado di dire allo scienziato se l'ipotesi è sbagliata; potrebbe non dirgli se l'ipotesi è giusta. Nell'esempio di cui sopra, un esperimento potrebbe comportare il chiedere a molte persone quali sono i loro colori preferiti. Fare un esperimento può essere però molto difficile. E se la domanda chiave da porre alle persone non fosse quali colori piacciono, ma quali colori odiano? Quante persone devono essere interrogate? Ci sono modi di porre la domanda che potrebbero cambiare il risultato in modi che non ci si aspettava? Questi sono tutti i tipi di domande che gli scienziati devono porsi, prima di fare un esperimento e farlo. Di solito gli scienziati vogliono testare solo una cosa alla volta. Per fare questo, cercano di rendere ogni parte di un esperimento uguale per tutti, tranne che per la cosa che vogliono testare.
4. Sperimentare e raccogliere i dati. Qui lo scienziato cerca di eseguire l'esperimento che ha progettato in precedenza. A volte lo scienziato ottiene nuove idee mentre l'esperimento va avanti. A volte è difficile sapere quando un esperimento è finalmente finito. A volte sperimentare è molto difficile. Alcuni scienziati passano la maggior parte della loro vita ad imparare come fare buoni esperimenti.
5. Domande sul perché. Le spiegazioni sono risposte alle domande sul perché. ^{II, p3}
6. Trarre conclusioni dall'esperimento. A volte i risultati non sono facili da capire. A volte gli esperimenti stessi aprono nuove domande. A volte i risultati di un esperimento possono significare molte cose diverse. Tutte queste cose devono essere pensate attentamente.
7. Comunicarli agli altri. Un elemento chiave della scienza è la condivisione dei risultati degli esperimenti, in modo che altri scienziati possano poi utilizzare la conoscenza e tutta la scienza ne possa beneficiare. Di solito gli scienziati non si fidano di una nuova affermazione a meno che altri scienziati non l'abbiano esaminata prima per assicurarsi che sembri vera scienza. Questo si chiama peer review ("peer" qui significa "altri scienziati"). Il lavoro che supera la peer review viene pubblicato in una rivista scientifica.

Anche se scritto come una lista, gli scienziati possono andare avanti e indietro tra diversi passi un certo numero di volte prima di essere soddisfatti della risposta.

Non tutti gli scienziati usano il suddetto "metodo scientifico" nel loro lavoro quotidiano. A volte il vero lavoro della scienza non assomiglia affatto a quanto sopra.

Diciamo che vogliamo scoprire l'effetto della temperatura sul modo in cui lo zucchero si scioglie in un bicchiere d'acqua. Ecco un modo per farlo, seguendo il metodo scientifico passo dopo passo.

Obiettivo

Lo zucchero si scioglie più velocemente in acqua calda o in acqua fredda? La temperatura influenza la velocità con cui lo zucchero si scioglie? Questa è una domanda che potremmo voler fare.

Pianificazione dell'esperimento

Un semplice esperimento potrebbe essere quello di sciogliere lo zucchero in acqua a diverse temperature e tenere traccia di quanto tempo ci vuole perché lo zucchero si sciolga. Questo sarebbe un test dell'idea che il tasso di dissoluzione varia a seconda dell'energia cinetica del solvente.

Vogliamo assicurarci di usare esattamente la stessa quantità di acqua in ogni prova, ed esattamente la stessa quantità di zucchero. Lo facciamo per essere sicuri che sia solo la temperatura a causare l'effetto. Potrebbe essere, per esempio, che il rapporto tra zucchero e acqua sia anche un fattore nella velocità di dissoluzione. Per essere più attenti, potremmo anche eseguire l'esperimento in modo che la temperatura dell'acqua non cambi durante l'esperimento.

Questo si chiama "isolare una variabile". Ciò significa che, dei fattori che potrebbero avere un effetto, solo uno viene cambiato nell'esperimento.

Esecuzione dell'esperimento

Faremo l'esperimento in tre prove, che sono esattamente le stesse, tranne che per la temperatura dell'acqua.

1. Mettiamo esattamente 25 grammi di zucchero in esattamente 1 litro di acqua fredda quasi come il ghiaccio. Non mescoliamo. Notiamo che ci vogliono 30 minuti prima che tutto lo zucchero sia sciolto.
2. Mettiamo esattamente 25 grammi di zucchero in esattamente 1 litro di acqua a temperatura ambiente (20 °C). Non mescoliamo. Notiamo che ci vogliono 15 minuti prima che tutto lo zucchero sia sciolto.
3. Mettiamo esattamente 25 grammi di zucchero in esattamente 1 litro di acqua calda (50 °C). Non mescoliamo. Notiamo che ci vogliono 4 minuti prima che tutto lo zucchero sia sciolto.

Trarre conclusioni

Un modo che rende facile vedere i risultati è quello di farne una tabella, elencando tutte le cose che sono cambiate ogni volta che abbiamo eseguito l'esperimento. La nostra potrebbe assomigliare a questa:

Se ogni altra parte dell'esperimento fosse la stessa (non abbiamo usato più zucchero una volta rispetto all'altra, non abbiamo mescolato una volta o l'altra, ecc.

Non possiamo sapere con certezza, però, che non ci sia qualcos'altro che lo influenza. Un esempio di causa nascosta potrebbe essere che lo zucchero si scioglie più velocemente ogni volta che si scioglie più zucchero nella stessa pentola. Questo probabilmente non è vero, ma se lo fosse, potrebbe rendere i risultati esattamente uguali: tre prove, e l'ultima sarebbe la più veloce. Non abbiamo motivo di pensare che questo sia vero in questo momento, ma potremmo volerlo notare come un'altra possibile risposta.

La crisi di replicazione (o crisi di replicabilità) si riferisce a una crisi nella scienza. Molto spesso il risultato di un esperimento scientifico è difficile o impossibile da replicare in seguito, sia da ricercatori indipendenti che dagli stessi ricercatori originali. Mentre la crisi ha radici antiche, la frase è stata coniata nei primi anni 2010 come parte di una crescente consapevolezza del problema.

Poiché la riproducibilità degli esperimenti è una parte essenziale del metodo scientifico, l'incapacità di replicare gli studi ha conseguenze potenzialmente gravi.

La crisi della replicazione è stata particolarmente discussa nel campo della psicologia (e in particolare della psicologia sociale) e della medicina, dove sono stati fatti numerosi sforzi per reinvestire i risultati classici, e per tentare di determinare sia la validità dei risultati, sia, se non validi, le ragioni del fallimento della replicazione.

Le recenti discussioni hanno fatto conoscere meglio questo problema.

Gli elementi del metodo scientifico furono elaborati da alcuni primi studenti della natura.

• "Consideriamo un buon principio spiegare i fenomeni con l'ipotesi più semplice possibile". Tolomeo (85-165 d.C.). Questo è un primo esempio di quello che chiamiamo il rasoio di Occam.
• Ibn al-Haytham (Alhazen) (965-1039), Robert Grosseteste (1175-1253) e Roger Bacon (1214-1294), fecero tutti dei progressi nello sviluppo del metodo scientifico.
• Gli scienziati nel 17° secolo iniziarono a concordare che il metodo sperimentale è il modo principale per trovare la verità. Questo fu fatto in Europa occidentale da uomini come Galileo, Keplero, Hooke, Boyle, Halley e Newton. Allo stesso tempo, furono inventati il microscopio e il telescopio (in Olanda), e fu formata la Royal Society. Gli strumenti, le società e l'editoria hanno aiutato molto la scienza.

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