1.2 Vísindalegar aðferðir

Lykilhugtök hlutans

Vísindalegar aðferðir

Vísindamenn skipuleggja og framkvæma oft rannsóknir til að svara spurningum um alheiminn í kringum okkur. Slíkar rannsóknir geta leitt til náttúrulögmála. Slík lögmál eru innbyggð í alheiminn; það þýðir að menn bjuggu þau ekki til og geta ekki breytt þeim. Við getum aðeins uppgötvað þau og skilið. Uppgötvun þeirra er mjög mannlegt viðfangsefni, með öllum þeim þáttum leyndardóms, ímyndunarafls, baráttu, sigurs og vonbrigða sem fylgja skapandi starfi. Hornsteinn þess að uppgötva náttúrulögmál er athugun. Vísindin verða að lýsa alheiminum eins og hann er, ekki eins og við ímyndum okkur eða óskum að hann sé.

Við erum öll forvitin að einhverju leyti. Við lítum í kringum okkur, alhæfum og reynum að skilja það sem við sjáum. Til dæmis lítum við upp og veltum fyrir okkur hvort ákveðin skýjategund boði storm. Þegar við förum að rannsaka náttúruna af meiri alvöru verðum við skipulegri og formlegri við söfnun og greiningu gagna. Við leitumst við meiri nákvæmni, gerum stýrðar tilraunir þegar það er hægt og skráum hugmyndir um hvernig megi skipuleggja gögnin. Síðan mótum við líkön, kenningar og lögmál út frá gögnunum sem við höfum safnað og miðlum niðurstöðunum til annarra. Þetta lýsir í stuttu máli vísindalegu aðferðinni sem vísindamenn nota til að leysa vísindaleg álitamál á grundvelli gagna úr athugunum og tilraunum.

Rannsókn hefst oft á því að vísindamaður gerir athugun. Vísindamaðurinn tekur eftir mynstri eða þróun í náttúrunni. Athugun getur vakið spurningar sem vísindamaðurinn vill svara. Næst getur vísindamaðurinn rannsakað efnið nánar og sett fram tilgátu. Tilgáta er prófanleg fullyrðing sem lýsir því hvernig eitthvað í náttúrunni virkar. Í raun er tilgáta rökstudd ágiskun sem skýrir eitthvað við athugun.

Vísindamenn geta prófað tilgátuna með því að gera tilraun. Í tilraun safnar vísindamaðurinn gögnum sem hjálpa honum að læra um fyrirbærið sem verið er að rannsaka. Síðan greina vísindamennirnir niðurstöður tilraunarinnar, það er gögnin, oft með tölfræðilegum, stærðfræðilegum og/eða myndrænum aðferðum. Út frá gagnagreiningunni draga þeir ályktanir. Þeir geta komist að þeirri niðurstöðu að tilraunin annaðhvort styðji tilgátuna eða hafni henni. Ef tilgátan fær stuðning heldur vísindamaðurinn yfirleitt áfram og prófar aðra tilgátu sem tengist þeirri fyrri. Ef tilgátunni er hafnað prófar hann oft nýja og aðra tilgátu til að læra meira um það sem verið er að rannsaka.

Vísindalegum aðferðum má beita við margar aðstæður. Segjum til dæmis að þú reynir að ræsa bílinn þinn en hann fari ekki í gang. Þú hefur þá gert athugun! Þú spyrð sjálfan þig: „Af hverju fer bíllinn minn ekki í gang?“ Nú geturðu notað vísindalegar aðferðir til að svara spurningunni. Fyrst seturðu fram tilgátu, til dæmis: „Bíllinn fer ekki í gang vegna þess að ekkert bensín er á tankinum.“ Til að prófa þessa tilgátu seturðu bensín á bílinn og reynir að ræsa hann aftur. Ef bíllinn fer í gang styður tilraunin tilgátuna. Ef bíllinn fer ekki í gang er tilgátunni hafnað. Þá þarftu að hugsa upp nýja tilgátu til að prófa, til dæmis: „Bíllinn minn fer ekki í gang vegna þess að eldsneytisdælan er biluð.“ Vonandi leiða rannsóknirnar þig að því að uppgötva hvers vegna bíllinn fer ekki í gang og gera þér kleift að laga hann.

Líkanagerð

Líkan er framsetning á einhverju sem er oft of erfitt, eða ómögulegt, að rannsaka beint. Líkön geta verið efnisleg líkön, jöfnur, tölvuforrit eða hermun, til dæmis tölvugerð myndræn framsetning eða hreyfimyndir. Líkön eru verkfæri sem nýtast sérstaklega vel í nútímaeðlisfræði vegna þess að þau gera okkur kleift að sjá fyrir okkur fyrirbæri sem við getum venjulega ekki skynjað með skynfærunum, svo sem mjög smáa hluti eða hluti sem hreyfast á miklum hraða. Til dæmis getum við skilið byggingu atóms með líkönum án þess að sjá atómið með eigin augum. Þótt nú sé hægt að taka myndir af einstökum atómum er afar erfitt að gera það og það er aðeins mögulegt vegna þess hve vel líkönin okkar hafa reynst. Slíkar myndir eru afleiðing skilnings okkar á atómum, ekki uppspretta hans. Líkön eru alltaf nálganir og því einfaldari að skoða en raunverulegar aðstæður; því fullkomnara sem líkan er, þeim mun flóknara verður það að vera. Líkön setja hið óáþreifanlega eða afar flókna í mannlegt samhengi sem við getum séð fyrir okkur, rætt og sett fram tilgátur um.

Vísindalíkön eru smíðuð út frá niðurstöðum fyrri tilrauna. Þrátt fyrir það lýsa líkön oft aðeins hluta af fyrirbæri eða aðeins nokkrum afmörkuðum aðstæðum. Sum fyrirbæri eru svo flókin að ómögulegt getur verið að líkja eftir þeim í heild, jafnvel með tölvum. Dæmi er rafeindaskýjalíkan atómsins, þar sem rafeindir hreyfast um miðju atómsins í afmörkuðum skýjum (Mynd 1.12) sem tákna líkurnar á því að finna rafeind á mismunandi stöðum. Þetta líkan hjálpar okkur að sjá byggingu atómsins fyrir okkur. Það sýnir okkur þó ekki nákvæmlega hvar rafeind er innan skýsins á hverjum tilteknum tíma.

Eins og áður hefur komið fram nota eðlisfræðingar margs konar líkön, þar á meðal jöfnur, efnisleg líkön og tölvuhermanir. Til dæmis eru þrívíð líkön oft notuð í efnafræði og eðlisfræði til að líkja eftir sameindum. Eiginleikar aðrir en útlit eða staðsetning eru yfirleitt settir fram með stærðfræði, þar sem föll eru notuð til að sýna hvernig eiginleikarnir tengjast hver öðrum. Ferli, svo sem myndun stjörnu eða reikistjarna, má einnig líkja eftir með tölvuhermunum. Þegar hermun hefur verið forrituð rétt út frá raunverulegum tilraunagögnum getur hún gert okkur kleift að skoða ferli sem gerðust í fortíðinni eða gerast of hratt eða of hægt til að við getum fylgst með þeim beint. Auk þess geta vísindamenn gert sýndartilraunir með tölvulíkönum. Í líkani af myndun reikistjarna gæti vísindamaður til dæmis breytt magni eða gerð bergs í geimnum og séð hvaða áhrif það hefur á myndun reikistjarna.

Vísindamenn nota líkön og tilraunaniðurstöður til að smíða skýringar á athugunum eða hanna lausnir á vandamálum. Ein leið til að gera bíl sparneytnari er til dæmis að draga úr núningi eða loftmótstöðu sem stafar af loftflæði umhverfis bílinn á hreyfingu. Það má gera með því að hanna yfirbyggingu bílsins þannig að hún sé straumlínulagaðri, til dæmis með ávölum hornum í stað hvassra. Verkfræðingar geta síðan smíðað efnisleg líkön af yfirbyggingunni, sett þau í vindgöng og rannsakað loftflæði umhverfis líkanið. Þetta má einnig gera stærðfræðilega í tölvuhermun. Greina má loftflæðismynstrið með tilliti til svæða með sléttu loftflæði og hvirfla sem benda til loftmótstöðu. Breyta gæti þurft líkaninu af yfirbyggingunni lítillega til að fá sem sléttast loftflæðismynstur, það er minnsta loftmótstöðu. Mynstrið með minnstri loftmótstöðu gæti verið lausnin til að auka eldsneytisnýtni bílsins. Sú lausn gæti síðan orðið hluti af hönnun bílsins.

Vísindalögmál og kenningar

Vísindalögmál er lýsing á mynstri í náttúrunni sem gildir við allar þær aðstæður sem hafa verið rannsakaðar. Með öðrum orðum eiga eðlisfræðilögmál að vera algild; þau eiga að gilda um allan þekktan alheim. Lögmál eru oft hnitmiðuð, en kenningar eru flóknari. Lögmál má setja fram í einni setningu eða sem stærðfræðilega jöfnu. Til dæmis má setja annað hreyfilögmál Newtons, sem tengir hreyfingu hlutar við kraftinn sem verkar á hann (F), massa hlutarins (m) og hröðun hans (a), einfaldlega fram með jöfnunni

Vísindalegar hugmyndir og skýringar sem gilda í mörgum, en ekki öllum, aðstæðum í alheiminum eru yfirleitt kallaðar frumreglur. Dæmi er frumregla Pascals, sem skýrir eiginleika vökva en ekki fastra efna eða gastegunda. Í vísindum er þó stundum ekki gerður mjög skýr greinarmunur á lögmálum og frumreglum.

Kenning er skýring á mynstrum í náttúrunni sem er studd miklu magni vísindalegra gagna og hefur verið sannreynd margsinnis af mörgum rannsakendum. Þótt margir rugli kenningum saman við rökstuddar ágiskanir eða tilgátur hafa kenningar staðist strangari prófanir og sannprófun en tilgátur.

Að lokum um vísindaleg vinnubrögð viljum við benda á að vísindalögmál og kenningar, jafnvel þau sem tilraunir hafa stutt í margar aldir, geta samt breyst við nýjar uppgötvanir. Þetta á sérstaklega við þegar ný tækni kemur fram sem gerir okkur kleift að athuga hluti sem áður voru ósýnilegir. Hugsaðu þér hvernig það að sjá áður ósýnilega hluti í smásjá eða að sjá jörðina í fyrsta sinn úr geimnum gæti samstundis hafa breytt vísindakenningum okkar og lögmálum. Hvaða uppgötvanir bíða okkar enn í framtíðinni? Stöðug endurprófun og betrumbætur á vísindalögmálum og kenningum gera þekkingu okkar á náttúrunni kleift að þróast. Af þessum sökum hika margir vísindamenn við að segja að rannsóknir þeirra sanni eitthvað. Með því að segja að gögn styðji niðurstöðu, frekar en að þau sanni hana, er dyrunum haldið opnum fyrir framtíðaruppgötvunum, jafnvel þótt þær verði ekki gerðar fyrr en eftir aldir eða árþúsundir.

Athugaðu skilning þinn