השיטה המדעית

השיטה המדעית היא שם כולל לטכניקות המשמשות לחקר תופעות, צבירת ידע חדש, או תיקון ושילוב של ידע קודם. טכניקות מאפשרות להכריע בין רעיונות ותפישות שונות וכוללות הן אמצעים ושיטות מדידה והן כלים מחשבתיים של היקש לוגי.

השיטה המדעית עברה התפתחות רבה במרוצת ההיסטוריה, וחלק מקפיצות הדרך הגדולות במדע נחשבות כנקודות מפתח בשינוי השיטה המדעית. מכיוון שהשיטה המדעית עוברת התפתחות מתמדת אין עליה הסכמה כוללת, באותו אופן שאין הסכמה כוללת לגבי מהו מדע. כך לדוגמה לדעת חלק מהעוסקים במדעי הטבע, חלק מהמחקרים בתחומים כמו פסיכולוגיה וסוציולוגיה לוקים במתודולוגיה מכיוון שהשיטות המדעיות שבהן משתמשים ענפים אלו אינן ריגורוזיות מספיק. באותו אופן הוויכוח סביב ענפים הנחשבים כפסבדו-מדע כגון הומאופתיה נסוב רבות סביב השיטה המדעית בהם ענפים אלו משתמשים (או לא משתמשים).

למרות הבדלים בפרוצדורות המחקריות בין תחומי המחקר השונים, קיימים מספר מאפיינים משותפים המייחדים את החקר המדעי ממתודולוגיות ידע אחרות. חוקרים מדעיים מנסים למצוא מודלים הסבר לתופעות 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 לבחינתם. 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 והמתודולוגיה, כדי שיעברו ביקורת על ידי 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 הינו:

1. השתמש בדמיון שלך - שקול את הבעיה, ונסה להבינה. חפש הסברים קודמים; אם הבעיה חדשה לך אז
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 - חפש את היפוכה של התוצאה, על מנת להפריך את 2. זוהי שגיאה לוגית לחפש את 3 כהוכחה ישירה ל-2. שגיאה זו מכונה אישור הסוגר.

[עריכה] התפתחות השיטה המדעית

השיטה המדעית, התפתחה במקביל להתפתחות המדע.

[עריכה] העת העתיקה - המדע הפרה ניסיוני

את ניצניו של המדע המודרני ניתן למצוא בתרבויות עתיקות רבות. כך לדוגמה מסמכים ממצרים העתיקה, כמו פפירוסים עתיקים, מתארים שיטות אבחון רפואי, הבבלים הקדומים (וכן תרבויות עתיקות רבות אחרות) היו בעלי ידע רב באסטרונומיה, התרבות הסינית הקדומה סיפקה הישגים רבים שהיו הכרחיים לקידום המדע כגון המצאת הנייר, הדפוס, המצפן ואבק השרפה. התפתחויות מדעיות היו קשורות הן לצרכים ממשיים, והן לצרכים דתיים ומיסטיים. כך לדוגמה בתרבויות רבות חקר הכוכבים עזר בביסוס לוח השנה שלו הייתה חשיבות רבה לדוגמה בחקלאות, אך מחקר זה נבע גם מהעיסוק המיסטי באסטרולוגיה. ההבחנה בין מדע לבין אמונה ומיסטיקה לא הייתה קיימת, ותרבויות קדומות התבססו על מיתוסים ואמונות בשביל להסביר תופעות טבע שונות.

[עריכה] יוון העתיקה: התפתחות השיטה האקסיומטית והולדת האמפיריציזם

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 השיטה המדעית של המתמטיקה. על פי שיטה זאת כל הידע המתמטי מבוסס על הוכחות, בשיטה של דדוקציה, שבה כל משפט מוכח על בסיס משפטים שכבר הוכחו, וכל המשפטים כולם נסמכים על סט מצומצם ככל האפשר של משפטי יסוד, הקרויים אקסיומות. למרות שמאז התקופה העתיקה המתמטיקה התפתחה רבות ונוספו אליה תחומים רבים, השיטה המדעית העומדת בבסיסה לא השתנתה מאז ימי אוקליד.

ביוון העתיקה נעשה גם ניסיון לקבוע כללי ניהול דיון והכרעה בין תפישות עולם, שהיוותה את הבסיס לפילוסופיה ולמדעים המודרניים. השיטה המדעית שהתפתחה הייתה ניסיון להגיע להכרעה על בסיס טיעונים לוגיים, כפי שנעשה במתמטיקה. הפילוסוף אפלטון אף האמין שהמתמטיקה הינה דרך לחקור את העולם: הוא האמין שהמתמטיקה מתארת עולם, 'עולם האידאות' שעליו מבוסס עולמנו. תפישה זאת זכתה לביקורת חדה בכתביו של אריסטו, ולמפלה ניצחת בראשית המאה ה-19 עם גילויים של גאומטריות לא אוקלידיות.

[עריכה] ימי הביניים: ראשית הגישה הניסיונית

את האמפיריציזם - ביסוס המדע על ניסוי נהוג לייחס למהפכה הקופרניקאית, במאה ה-17, אך את ניצני אפשר למצוא כבר בעבודותיהם של מדענים מוסלמים בימי הביניים. מדענים אלו הציגו גישה של ניסוי וכימות כדי להבחין בין תאוריות מדעיות מתאחרות באוריינטציה אמפירית. דוגמה טובה לכך היא ניסוי האופטיקה בספר האופטיקה (1021) של איבן אל-היית'ם. אל היתת'אם ניסה לבדוק את הסברה שהאור נע בקוים ישרים.^[1][2]

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 (איבן אל-היית'ם)[3]

הדרך שבה הדגים את נכונות הסברה הייתה הצגת מקל ישר, או חוט מתוח, לאורך קרן האור,^[4] וכך להראות כי האור נע בקו ישר. אולי החידוש המרכזי בעבודה זאת, הוא בכך שאל-היית'ם הקדיש את הזמן והמאמץ על מנת לבדוק בצורה ניסיונית, עובדה שנראתה כמובנת וברורה מאליו. גישה זאת היא בבסיס השיטה המדעית, המטילה ספק בכל דבר, עד שהוא לא מוכח בניסוי. 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)[5]

איבן אל-היית'ם, 965–1039, בצרה

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

[עריכה] המהפכה הקופרניקאית והמהפכה המדעית

במאה ה-16 ניקולאוס קופרניקוס הציג מודל למערכת השמש, מודל שלפיו לא השמש מקיפה את כדור הארץ אלא להפך, כדור הארץ ושאר כוכבי הלכת מקיפים את השמש. מודל זה נתן הסבר פשוט יותר לתצפיות על תנועת הכוכבים, ובזכות התיקון של יוהנס קפלר (שמצא שכוכבי הלכת נעים באליפסה סביב השמש, ולא בעיגול) נתן לראשונה הסבר מדויק לתנועה זאת. גלילאו גליליי הושם במעצר בעקבות תמיכתו בתאוריה זאת, מכיוון שהיא סתרה את עמדת הכנסייה, ואולם דור אחד מאוחר יותר המודל הפך למקובל על כלל הקהילה המדעית וסימן שלב חשוב בהתפתחות המדע: ביסוס המדע על ניסוי, במקום על תפישות לוגיות או מיסטיות שהיו מקובלות קודם לכן.

[עריכה] קשיים בתיאור השיטה המדעית

ערך מורחב – אינסטרומנטליזם (פילוסופיה של המדע)

בין שנות השלושים לשנות השמונים של המאה ה-20 התחולל ויכוח עז בקרב פילוסופים של המדע לגבי השאלה האם בכלל קיימת שיטה מדעית, שהוכרעה לבסוף בכך ששיטה מדעית איננה קיימת, משני סיבות עיקריות:

• כל ניסיון לתת הגדרה ממצה או להכליל משיטות ספיציפיות לדיסציפלינות שונות נכשל.
• יש הטוענים שלא ניתן לתת הגדרה ממצה של השיטה המדעית כי השיטה המדעית היא ישות דינמית שמשתנה כל הזמן עם הידע המדעי.

בין הפילוסופים העיקריים שהתעסקו בשאלה זאת ניתן למצוא את תומאס קון, אימרה לקטוש, פול פייארבן, יוסף אגסי ומאוחר יותר: לארי לאודן, ברי גאוור, אלן צ'למרס ואיאן האקינג.

השיטה המדעית שהציג קרל פופר המבוססת על עקרון ההפרכה (כפי שמוסבר בפסקה הקודמת) הותקפה על ידי בעיית תת-ההיקבעות (underdetermination). תומאס קון טען ששיטה מדעית ותאוריה הן חלק ממכלול שנקרא פרדיגמה. פרדיגמות מחליפות זו את זו במהפכות. פול פייראבן כתב את הספר "נגד המתודה" שבו הוא טען שאין ושלא רצוי שתהיה שיטה מדעית. הוא השתמש בגלילאו שסטה מהעקרונות המדעיים המקובלים בתקופתו כדי להוכיח את טענתו. הכוונה המקורית הייתה שפייראבן ולקטוש יכתבו ספר משותף שבו פייראבן יטען נגד השיטה מדעית ואימרה לקטוש בעדה, אבל לרוע המזל לקטוש הלך לעולמו לפני כתיבת הספר. לקטוש האמין בקיומן של "תוכניות מחקר". תוכנית מחקר נשלטת על ידי עקרונות מטאפיזיים כלליים שקובעים את שיטות המחקר. מדענים בוחרים (בחירה רציונלית) לנטוש תוכנית מחקר אחת ולהעדיף את השנייה כאשר נראה שאחת מובילה למבוי סתום, ואולם הצעה זאת ודומות לה הותקפו על הבסיס שהן כלליות מידי, ואז לא מועילות, או שהן מפורטות, אבל אז תמיד שנויות במחלוקת ולא מקיפות את כל מה שהיינו רוצים לכלול בתוך "השיטה המדעית".

בשנות השבעים של המאה ה-20 סוציולוגים של המדע, שהושפעו מקון, חקרו מדענים בשטח. הם הגיעו למסקנה שמה שמדענים למעשה עושים במעבדה אינו דומה לשום תיאור מקובל של השיטה מדעית. הם הראו שהפעילות המדעית מערבת הרבה אינטואיציה ודמיון וגם אינטראקציות חברתיות רבות. מחקרים היסטוריים הגיעו למסקנות דומות. הקיצוניים יותר שבין הסוציולוגים טוענים ש"השיטה המדעית" היא היא לא יותר ממיתוס שנועד לתת לגיטימציה לידע המדעי בקרב הציבור ולהסתיר את ה"לכלוך" שלמעשה מאפיין את הפעילות המדעית.

תיאורי הסוציולוגים הוסיפו אתגר חדש לפילוסופים ובפרט לאלה המאמינים בקיומה ובאחדותה של השיטה המדעית. הכותבים הבולטים בשנות השמונים הם לארי לאודן, שטען שלא ניתן לדבר על שיטה מדעית אחת, משום שמטרות קוגניטיביות (פשטות, דיוק, יכולת חיזוי וכו'), תאוריות ושיטות המחקר משפיעות זו על זו. כאשר התאוריה משתנה, למשל, משתנה גם השיטה המדעית. לכן לא ניתן לדבר על שיטה מאוחדת ובלתי משתנה, אלא רק על שיטות מקומיות הנתונות לשינוי תמידי. ברי גאוור טען שלמרות שלא ניתן להגיע לניסוח מדויק של השיטה המדעית, היא קיימת כאידאל שהשיטות המדעיות הקיימות הולכות ומתקרבות אליו ככל שהזמן עובר. תפישות אלה הותקפו על ידי אלן צ'למרס. בשנות השמונים של המאה ה-20 התפתח הדיון בשיטה מדעית לכיוון של ויכוח בין ריאליזם לאנטי-ריאליזם, שעוסק במטאפיזיקה ולא במתודולוגיה.

איאן האקינג טוען שאמנם לא ניתן לדבר על שיטה מדעית אחת, אבל ניתן לזהות שישה "סגנונות טיעון" (styles of reasoning) מרכזיים במדע המערבי, כגון ההוכחה המתמטית, האלגוריתם, הניסוי המעבדתי והשימוש במודל אנלוגי שמהווים קנה מידה לאובייקטיביות. למרות, כפי שהיסטוריונים וסוציולוגים טרחו להראות, שהסגנונות האלה נוצרו בנסיבות היסטוריות מסוימות, הן "התעלו" עליהן וקיבלו מעמד על זמני.

[עריכה] אמת ואמונה

ערך מורחב – אמת ושקר (פילוסופיה)

תיאור הסוס המעופף; הופרך; ראו בהמשך

אמונה אינה חייבת להיות נכונה (אולם היא עשויה להיות נכונה, אפילו אם מקורותיה במיתוס).^[6] ספרו של ג'וזף נידהם, "מדע וציביליזציה בסין", מציג את תמונת "הסוס המעופף" כדוגמה לתצפית: בציור, רגלי הסוס מוצגת כפרושות לפנים ולאחור, בעוד רצף תמונות הזופרקסיסקופ של אדוארד מייברידג' מראות מציאות אחרת. לפיהן, כפי שניתן לראות משמאל, ברגע בו אף רגל אינה נוגעת בקרקע, כל הרגליים מקובצות יחדיו, ולא פרושות.

תמונות הסוס הדוהר של מייברידג'

ציורים מוקדמים מתארים את התצפית השגויה, "הסוס המעופף". נקודה זו מדגימה היטב את אזהרתו של פלק, לפיה אנו רואים מה שאנו מצפים לראות, עד שנקבל הוכחה שתסתור זאת; האמונות שלנו משפיעות על התצפיות שלנו (ולכן על הפעולות שלנו לאחר התצפית). אך יישום חוזר ונשנה של השיטה המדעית יכול לסייע לנו לפתור בעיות, על ידי חשיפת החלקים באמונות שאינם נכונים. לקהילה מדעית אינטרסים דומים, המסייעים לה לפתור בעיות במשותף.

[עריכה] עיקרי השיטה המדעית

כאמור לעיל יש הטוענים 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. הפיסקה הזאת באה לתאר את עיקר תפישת 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. פעולות אלה אינן כל עבודתם של המדענים, וישימות בעיקר למדעים הניסיוניים (כמו כימיה, פיזיקה וכולי). המרכיבים הללו נלמדים לעתים במערכת החינוך.^[19]

השיטה המדעית אינה מתכון ותו לא; היא דורשת אינטליגנציה, דמיון ויצירתיות.^[20] 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:

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

למרות שדרך הפעולה לעיל מתארת שיטת השערה/בדיקה טיפוסית,^[21] 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?

[עריכה] דוגמה מתחום ה-DNA

להלן מודגם כל מרכיב בשיטה המדעית, בעזרת דוגמה מגילוי מבנה ה-DNA:

• איפיון: 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.^[22] לכן היה מוכן לחשיבות של צורת ה-X בצילום 51.
• ניסוי: ווטסון רואה את צילום 51.

המשך גם בחזרות DNA, בהערכה וחזרה.

[עריכה] אפיון

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

• "איני נוהג לומר דבר בביטחון לאחר מדידה אחת או שתיים בלבד"^[23] - 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.

[עריכה] אי ודאות

מדידות מדעיות מלוות בדרך כלל באומדן של אי-הוודאות בהן. אי הוודאות מוערכת לעתים 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 מדידה תושפע מצפיפות השנתות על סרט המדידה, דיוק הדפסת השנתות, והדיוק בקביעת השנת הנכון על ידי מבצע המדידה.

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

[עריכה] 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 "אידאלית". לדוגמה, זרם חשמלי, הנמדד באמפר, מוגדר אופרטיבית במושגים של מסת כסף המשוקע בפרק זמן מסוים על אלקטרודה במתקן אלקטרוכימי המתואר בפירוט. ההגדרה האופרטיבית מתסמכת לעתים 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. לעתים קרובות מאפיינים גדלים מדעיים בעזרת יחידות המדידה שלהם, אותן ניתן להמיר מאוחר יותר ליחידות פיזיקליות מקובלות, למטרת פרסום העבודה.

לעתים 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. אייזיק 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.^[24]

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.

[עריכה] איפיון 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.

[עריכה] הפרסציה של כוכב חמה

איפיון נושא מסוים עשוי לדרוש מחקר נרחב וממושך, אפילו לאורך מאות שנים. נדרשו אלפי שנות מדידות, על ידי אסטרונומים קלדאים (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 (פרסציה) 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.

[עריכה] פיתוח השערה

השערה היא הצעה להסבר של תופעה, או הצעה מנומקת לקשר אפשרי בין תופעות. לעתים קרובות להשערות צורה של מודל מתמטי. לעתים, 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 פולניי 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.^[25]

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.

[עריכה] 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 המירוץ לפענח את המבנה הנכון. אך פאולינג לא הבין באותה עת כי הוא במירוץ...

[עריכה] תחזיות על סמך ההשערה

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.

[עריכה] תחזיות DNA

כאשר ווטסון וקריק שיערו כי ל-DNA מבנה של סליל כפול, קריק חזה כי תמונת דיפרקצית 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".

[עריכה] תורת היחסות הכללית

השערתו של איינשטיין (1907): האור מתכופף בשדה כבידה

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.

[עריכה] ניסויים

ערך מורחב – ניסוי

הבקרה חשובה מאוד. לאחר ניסוח התחזיות, ניתן לבדוק אותן בעזרת ניסויים. אם תוצאות הניסוי סותרות את התחזית, ההשערות מוטלות בספק, ומחפשים הסברים לתוצאות. לעתים 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, מחקר עיוור 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 ויושרת 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 לפרסציה 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).

[עריכה] 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, צילום 51 שהכינה הראה צורת X,^[26] ועזר לאשש את השערת המבנה הסלילי.^[27] כשראו ווטסון וקריק תצלום זה, התעורר מחדש עניינם בפיתוח מודל למבנה ה-DNA, והם הגיעו לבסוף למבנה הנכון.

[עריכה] הערכה וחזרה

[עריכה] בדיקה ושיפור

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

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

[עריכה] 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 פרקנלין.

[עריכה] 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, סוכניות 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.

[עריכה] פילוסופיה וסוציולוגיה של המדע

ערך מורחב – פילוסופיה של המדע, סוציולוגיה של המדע

[עריכה] השיטה המדעית בפילוסופיה של המדע לפני המאה העשרים

[עריכה] פילוסופיה יוונית

המודל הקלאסי מתבסס על עבדותו של אריסטו,^[28] שהבחין בין צורות ההיקש הלוגי המדויק והמקורב, הגדיר את סכמת הטיעון הרטרודוקטיבי המשולשת והטיעון ההיקשי, וכמו כן טיפל בצורות מעורבות כמו היקש בעזרת אנלוגיה.

[עריכה] האמפיריציזם האנגלי והרציונליזם

בעבודתו Novum Organum (משנת 1620) (השם מתייחס לאורגנון של אריסטו), מתאר 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.

[עריכה] 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) [2], שרטט שיטה לבדיקת אמיתות מידע משוער באופן ניתן לוידוא 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 דיוויד 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 היגיון סימבולי לפתירת הבעיות בהסקת המסקנות המדעית של אותם ימים. פרס בחן וביטא את שלושת המצבים הבסיסיים של תהליך החשיבה המדעי, שמשחקים תפקיד מרכזי במחקר כיום - אלה הם רטרודוקציה, דדוקציה ואינדוקציה. שלישית, שיחק פרס תפקיד חשוב בפיתוח ההגיון הסימבולי, 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.^[29] ב-1877,^[30], שרטט ארבע שיטות לקביעת דעה, דהיינו, יישוב הספק, ודירג אותן לפי מידת ההצלחה שלהן בהגעה ליישוב דעה מבוסס.

1. שיטת העקשנות - הצמדות 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 האידאלית, אליה יגיעו כל החוקרים המדעיים באופן הגיוני, במוקדם או במאוחר, אם יחקרו מספיק לעומק.^[31]

במקביל, הגדיר את הממשי כאובייקט של סימן אמיתי (אובייקט זה יכול להיות אפשרות או תכונה, ממשות או עובדה קרה, הכרח או נורמה או כלל), שהינו מה שהינו ללא תלות בדעתה של קהילה סופית כלשהי, ופרגמטית, תלוי רק בדעה הסופית האידאלית. דעה זו יכולה להיות קרובה או רחוקה מאיתנו כמו האמת עצמה. כלומר, התאוריה של פרס מתמצה ל-"בצעו את המחקר". הוא איפיין את השיטה המדעית כדלקמן:^[32]

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 איטית 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 לעתים 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).^[33] הפתגם הפרגמטי (Pragmatic Maxim) שלו היא: "חשוב אילו אפקטים בעלי משמעות מעשית אתה חושב שיש לאובייקט אותו אתה שוקל. אם כך, התפישה שלך של האפקטים הללו, היא כל תפיסשך של האובייקט".^[31] הפרגמטיזם שלו הוא 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