نظریه در روش علمی (کاوشگری)

نظریه در روش علمی (کاوشگری): نقشهٔ راه کشف حقایق

روش علمی چیست و چگونه کار می‌کند؟

روش علمی مانند یک نقشهٔ راه یا یک دستورالعمل دقیق برای یافتن پاسخ پرسش‌هایمان است. این روش به ما کمک می‌کند تا به جای حدس و گمان، با جمع‌آوری شواهد و انجام آزمایش‌های دقیق به حقایق برسیم. فرآیند روش علمی معمولاً به چند مرحلهٔ پشت سر هم تقسیم می‌شود که ممکن است بسته به نوع سؤال، تکرار شوند یا ترتیبشان کمی تغییر کند.

فرضیه در مقابل نظریه: یک تفاوت اساسی

خیلی از مردم فکر می‌کنند «نظریه» یعنی یک حدس یا یک ایدهٔ اثبات‌نشده. اما در علم، این دو کلمه معانی خیلی دقیق و متفاوتی دارند.

یک فرضیه یک پیش‌بینی قابل آزمایش است. آن یک پاسخ احتمالی و محدود برای یک پرسش خاص است. فرضیه معمولاً به صورت یک جملهٔ «اگر-آنگاه» بیان می‌شود. مثلاً: «اگر به یک گیاه آب بیشتری داده شود، آنگاه سریع‌تر رشد خواهد کرد.» این یک فرضیه است زیرا می‌توان آن را با یک آزمایش ساده آزمود.

یک نظریهٔ علمی چیزی بسیار بزرگ‌تر و قوی‌تر است. یک نظریه، توضیحی گسترده و عمیق برای یک پدیدهٔ طبیعی است که بارها و بارها توسط آزمایش‌های مختلف تأیید شده است. یک نظریه، پیش‌بینی‌های زیادی می‌کند و می‌تواند حقایق زیادی را به هم ارتباط دهد. برای مثال، نظریهٔ فرگشت[۲] توسط داروین، فقط یک حدس نیست. این نظریه توضیح می‌دهد چگونه گونه‌های جانداران در طول زمان تغییر می‌کنند و توسط شواهد بسیار زیادی از فسیل‌ها، ژنتیک و مشاهدهٔ مستقیم پشتیبانی می‌شود.

آزمایش کنترل‌شده: کلید یافتن پاسخ درست

برای اینکه مطمئن شوید نتیجه‌ای که می‌گیرید واقعاً به خاطر عاملی است که شما تغییر داده‌اید (مثلاً نور)، باید یک آزمایش کنترل‌شده طراحی کنید. در چنین آزمایشی، همه چیز به جز یک عامل (متغیر مستقل) ثابت نگه داشته می‌شود. سپس تغییرات در عامل اندازه‌گیری‌شده (متغیر وابسته) را مشاهده می‌کنیم.

در مثال گیاهان، من دو گروه دارم:

• گروه آزمایشی: گیاهی که نور زیاد دریافت می‌کند (متغیر مستقل تغییر می‌کند).
• گروه کنترل: گیاهی که نور کم دریافت می‌کند (همه چیز ثابت است و به عنوان مبنا برای مقایسه استفاده می‌شود).

من باید مطمئن شوم که هر دو گیاه از همان نوع هستند، به هر دو یک مقدار آب می‌دهم، هر دو در یک دما هستند و... . فقط نور برای آن‌ها متفاوت است. اگر چنین نکنم و مثلاً به گیاهی که نور زیاد می‌گیرد آب بیشتری هم بدهم، دیگر نمی‌توانم مطمئن باشم که رشد بیشتر به خاطر نور بوده است یا آب! اینجاست که آزمایش بی‌فایده می‌شود.

ریاضیات: زبان بیان دقیق نتایج

علم و ریاضیات مانند دو دوست صمیمی هستند. دانشمندان از ریاضیات برای توصیف دقیق مشاهدات خود، تحلیل داده‌ها و بیان نظریه‌ها استفاده می‌کنند. ریاضیات به ما کمک می‌کند الگوها را ببینیم، روابط بین چیزها را کشف کنیم و حتی چیزهایی را که مستقیماً نمی‌بینیم، پیش‌بینی کنیم.

برای مثال، ایزاک نیوتن نه تنها جاذبه[۳] را کشف کرد، بلکه آن را به زبان ریاضی نوشت. فرمول معروف او می‌گوید نیروی جاذبه بین دو جسم با جرم آن‌ها رابطهٔ مستقیم و با مربع فاصلهٔ بین آن‌ها رابطهٔ معکوس دارد. این رابطه را می‌توان به صورت زیر نوشت:

$ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $

که در آن $ F $ نیروی جاذبه، $ G $ یک ثابت، $ m_1 $ و $ m_2 $ جرم دو جسم و $ r $ فاصله بین آن‌ها است. این فرمول به ما اجازه می‌دهد قدرت جاذبه را بین هر دو جسمی در جهان محاسبه کنیم!

حتی در آزمایش سادهٔ گیاهان، من از ریاضی استفاده می‌کنم. من هر روز ارتفاع گیاهان را با یک خط‌کش اندازه می‌گیرم و اعداد را ثبت می‌کنم. سپس می‌توانم این اعداد را در یک نمودار رسم کنم تا به راحتی ببینم کدام گیاه سریع‌تر رشد کرده است. ممکن است نتیجه به این شکل باشد: گیاه در نور زیاد به طور متوسط $ 0.5 $ سانتیمتر در روز رشد کرد، در حالی که گیاه در نور کم فقط $ 0.1 $ سانتیمتر در روز رشد کرد.

از آزمایشگاه تا زندگی واقعی: کاربرد روش علمی

شاید فکر کنید روش علمی فقط مخصوص دانشمندان در آزمایشگاه‌هاست. اما در واقع، ما هر روز و اغلب ناخودآگاه از مراحل روش علمی برای حل مشکلات زندگی خود استفاده می‌کنیم!

مثال: چراغ مطالعه من روشن نمی‌شود.

1. مشاهده و پرسش: چراغ روشن نمی‌شود. چرا؟
2. تحقیق زمینه‌ای: می‌دانم که چراغ برای کار کردن به برق نیاز دارد.
3. فرضیه: شاید سیم آن از پریز برق بیرون آمده باشد.
4. آزمایش: سیم را چک می‌کنم تا ببینم آیا به پریز وصل است یا خیر.
5. تجزیه و تحلیل و نتیجه‌گیری: اگر سیم وصل بود، فرضیه من رد می‌شود و من یک فرضیه جدید مطرح می‌کنم (شاید لامپ سوخته باشد). اگر سیم وصل نبود، آن را وصل می‌کنم و دوباره آزمایش می‌کنم تا ببینم چراغ روشن می‌شود یا نه.

این دقیقاً همان فرآیند روش علمی است! پزشکان نیز از این روش برای تشخیص بیماری استفاده می‌کنند. آن‌ها علائم را مشاهده می‌کنند (مشاهده)، در مورد بیماری‌های ممکن فکر می‌کنند (فرضیه)، آزمایش‌هایی مانند آزمایش خون می‌گیرند (آزمایش)، و سپس بر اساس نتایج، یک درمان را انتخاب می‌کنند (نتیجه‌گیری).

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

[۱] فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیندی که در آن گیاهان با استفاده از نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن، غذاسازی می‌کنند.

[۲] فرگشت (Evolution): نظریه‌ای که توضیح می‌دهد چگونه گونه‌های جانداران در طول نسل‌های متمادی تغییر کرده و به شکل‌های امروزی درآمده‌اند.

[۳] جاذبه (Gravity): نیروی طبیعی که باعث می‌شود اجسام دارای جرم، یکدیگر را جذب کنند، مانند جاذبه‌ای که زمین بر ما وارد می‌کند.

[۴] بازبینی همتا (Peer Review): فرآیندی که در آن کار علمی یک دانشمند توسط سایر متخصصان همان عرصه پیش از انتشار بررسی می‌شود تا از دقت و کیفیت آن اطمینان حاصل شود.