Die wissenschaftliche Methode – Hypothesen, Modelle, Theorien und Gesetze

The Scientific Method Blue

Die wissenschaftliche Methode ist definiert als die Schritte, die Wissenschaftler befolgen, um ein genaues, zuverlässiges und konsistentes Bild der Welt zu schaffen. Es ist auch eine Möglichkeit, die Auswirkungen und den Einfluss der kulturellen und persönlichen Überzeugungen eines Wissenschaftlers auf seine Arbeit zu minimieren. Sie versucht, die Wahrnehmungen und Interpretationen einer Person von Natur und Naturphänomenen so wissenschaftlich und neutral wie möglich zu gestalten. Sie minimiert das Ausmaß an Vorurteilen und Voreingenommenheit, die ein Wissenschaftler gegenüber den Ergebnissen eines Experiments, einer Hypothese oder einer Theorie hat.

Die wissenschaftliche Methode lässt sich in vier Schritte unterteilen:

  1. Das Phänomen (oder die Gruppe verschiedener Phänomene) beobachten und beschreiben.
  2. Eine Hypothese erstellen, die die Phänomene erklärt. In der Physik bedeutet dies oft, eine mathematische Beziehung oder einen kausalen Mechanismus herzustellen.
  3. Diese Hypothese verwenden, um zu versuchen, andere verwandte Phänomene oder die Ergebnisse einer anderen Reihe von Beobachtungen vorherzusagen.
  4. Die Leistung dieser Vorhersagen mit unabhängigen Experimenten testen.

Wenn die Ergebnisse dieser Experimente die Hypothese stützen, dann kann sie zu einer Theorie oder sogar zu einem Naturgesetz werden. Wenn sie die Hypothese jedoch nicht stützen, dann muss sie entweder geändert oder ganz verworfen werden. Der Hauptvorteil der wissenschaftlichen Methode besteht darin, dass sie eine Vorhersagekraft hat – eine bewährte Theorie kann auf ein breites Spektrum von Phänomenen angewandt werden. Natürlich kann sich auch die bewährteste Theorie irgendwann als falsch erweisen, weil neue Beobachtungen gemacht oder Experimente durchgeführt werden, die ihr widersprechen. Theorien können nie vollständig bewiesen, sondern nur vollständig widerlegt werden.

Hypothesen prüfen

Das Prüfen einer Hypothese kann zu einem von zwei Dingen führen: die Hypothese wird bestätigt oder die Hypothese wird verworfen, was bedeutet, dass sie entweder geändert oder eine neue Hypothese aufgestellt werden muss. Dies muss geschehen, wenn die Experimente wiederholt und klar zeigen, dass die Hypothese falsch ist. Es spielt keine Rolle, wie elegant oder unterstützt eine Theorie ist – wenn sie einmal widerlegt werden kann, kann sie nicht als Naturgesetz betrachtet werden. Das Experiment ist die oberste Regel in der wissenschaftlichen Methode, und wenn ein Experiment zeigt, dass die Hypothese nicht wahr ist, übertrumpft dies alle früheren Experimente, die diese Hypothese unterstützten. Diese Experimente testen manchmal die Theorie direkt, während sie manchmal die Theorie indirekt über Logik und Mathematik testen. Die wissenschaftliche Methode erfordert, dass alle Theorien in irgendeiner Weise überprüfbar sein müssen – diejenigen, die das nicht können, werden nicht als wissenschaftliche Theorien betrachtet.

Wenn eine Theorie widerlegt wird, kann diese Theorie in gewisser Weise immer noch anwendbar sein, aber sie wird nicht mehr als wahres Naturgesetz betrachtet. Zum Beispiel wurden die Newton’schen Gesetze in Fällen widerlegt, in denen die Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, aber sie können immer noch auf Mechaniken angewendet werden, die mit langsameren Geschwindigkeiten arbeiten. Andere Theorien, die jahrelang, ja sogar Jahrhunderte lang für wahr gehalten wurden und die aufgrund neuer Beobachtungen widerlegt wurden, beinhalten die Idee, dass die Erde das Zentrum unseres Sonnensystems ist oder dass die Planeten die Sonne in perfekten kreisförmigen Bahnen umkreisen, anstatt in den inzwischen bewiesenen elliptischen Bahnen.

Natürlich wird eine Hypothese oder eine bewährte Theorie nicht immer durch ein einziges Experiment widerlegt. Das liegt daran, dass Experimente Fehler enthalten können, so dass eine Hypothese, die so aussieht, als sei sie einmal widerlegt worden, mehrmals durch verschiedene unabhängige Tests überprüft wird. Zu den Dingen, die Fehler verursachen können, gehören fehlerhafte Instrumente, falsch abgelesene Messungen oder andere Daten oder die Voreingenommenheit des Forschers. Die meisten Messungen werden mit einem gewissen Grad an Fehlern angegeben. Wissenschaftler arbeiten daran, diesen Fehlergrad so gering wie möglich zu halten, während sie immer noch alles abschätzen und berechnen, was Fehler in einem Test verursachen könnte.

Häufige Fehler bei der Anwendung der wissenschaftlichen Methode

Leider wird die wissenschaftliche Methode nicht immer richtig angewandt. Fehler kommen vor, und einige von ihnen sind sogar recht häufig. Da alle Wissenschaftler Menschen mit Voreingenommenheit und Vorurteilen sind, kann es in manchen Fällen schwierig sein, wirklich objektiv zu sein. Es ist wichtig, dass alle Ergebnisse so unbefleckt von Vorurteilen sind wie möglich, aber das passiert nicht immer.

Ein weiterer häufiger Fehler ist es, etwas als gesunden Menschenverstand zu betrachten oder zu entscheiden, dass etwas so logisch ist, dass es nicht getestet werden muss. Wissenschaftler müssen im Kopf behalten, dass alles erst getestet werden muss, bevor es als solide Hypothese betrachtet werden kann.

Wissenschaftler müssen auch bereit sein, alle Daten zu prüfen, selbst diejenigen, die die Hypothese entkräften. Manche Wissenschaftler glauben so fest an ihre Hypothese, dass sie versuchen, Daten, die sie widerlegen, wegzuerklären. Sie wollen einen Grund dafür finden, warum diese Daten oder dieses Experiment falsch sein müssen, anstatt ihre Hypothese noch einmal zu überprüfen. Alle Daten müssen auf die gleiche Art und Weise betrachtet werden, auch wenn sie der Hypothese widersprechen.

Ein weiteres häufiges Problem ist zu Vergessen, alle möglichen Fehler abzuschätzen, die beim Testen entstehen könnten. Einige Daten, die der Hypothese widersprechen, wurden als in den Fehlerbereich fallend erklärt, aber in Wirklichkeit war es ein systematischer Fehler, den die Forscher einfach nicht berücksichtigten.

Hypothesen, Modelle, Theorien und Gesetze

Während einige Leute Wörter wie „Theorie“ und „Hypothesen“ fälschlicherweise austauschbar verwenden, hat die wissenschaftliche Gemeinschaft sehr strenge Definitionen dieser Begriffe.

Hypothese: Eine Hypothese ist eine Beobachtung, die gewöhnlich auf Ursache und Wirkung beruht. Es ist die Grundidee, die nicht getestet wurde. Eine Hypothese ist nur eine Idee, die etwas erklärt. Sie muss eine Reihe von Experimenten durchlaufen, um sie zu beweisen oder zu widerlegen.

Modell: Eine Hypothese wird zu einem Modell, nachdem einige Tests durchgeführt worden sind und sie eine gültige Beobachtung zu sein scheint. Einige Modelle sind nur in bestimmten Fällen gültig, z.B. wenn ein Wert in einen bestimmten Bereich fällt. Ein Modell kann auch als Gesetz bezeichnet werden.

Wissenschaftliche Theorie: Ein Modell, das wiederholt getestet und bestätigt wurde, kann zu einer wissenschaftlichen Theorie werden. Diese Theorien sind von einer Reihe unabhängiger Forscher auf der ganzen Welt anhand verschiedener Experimente getestet worden, und alle haben die Theorie unterstützt. Theorien können natürlich widerlegt werden, aber erst nach rigoroser Prüfung einer neuen Hypothese, die ihnen zu widersprechen scheint.

Fazit

Die wissenschaftliche Methode wird seit Jahren angewandt, um Hypothesen zu erstellen, sie zu testen und sie zu vollwertigen wissenschaftlichen Theorien zu entwickeln. Obwohl sie auf den ersten Blick eine sehr einfache Methode zu sein scheint, ist sie in Wirklichkeit eine der komplexesten Methoden zum Testen und Auswerten einer Beobachtung oder Idee. Sie unterscheidet sich von anderen Arten der Erklärung, weil sie versucht, alle Verzerrungen zu beseitigen und nur durch systematische Experimente voranzukommen. Wie bei jeder Methode gibt es jedoch Raum für Fehler, wie zum Beispiel Verzerrungen oder mechanische Fehler. Natürlich kann die wissenschaftliche Methode, genau wie die Theorien, die sie prüft, eines Tages revidiert werden.

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