과학적 방법 – 가설, 모델, 이론, 법칙

과학적 방법은 과학자들이 정확하고, 신뢰할 수 있으며, 일관성 있는 세계관을 만들기 위해 따르는 단계로 정의됩니다. 또한 과학자의 문화적 및 개인적 신념이 그들의 작업에 미치는 영향과 영향을 최소화하는 방법이기도 합니다. 이는 자연과 자연 현상에 대한 개인의 인식과 해석을 최대한 과학적이고 중립적으로 만들고자 시도합니다. 과학적 방법은 과학자가 실험, 가설 또는 이론의 결과에 미치는 편견과 선입견의 정도를 최소화합니다.

과학적 방법은 네 단계로 나눌 수 있습니다:

1. 현상을 관찰하고 설명합니다 (또는 다양한 현상들의 집단을 설명합니다).
2. 현상을 설명하는 가설을 생성합니다. 물리학에서는 종종 수학적 관계나 인과적 메커니즘을 만드는 것을 의미합니다.
3. 이 가설을 사용하여 다른 관련 현상이나 또 다른 관찰 결과를 예측하려 시도합니다.
4. 독립적인 실험을 통해 이러한 예측의 성능을 테스트합니다.

이러한 실험 결과가 가설을 지지한다면, 그것은 이론이나 심지어 자연의 법칙이 될 수 있습니다. 그러나 실험 결과가 가설을 지지하지 않는다면, 그 가설은 변경되거나 완전히 폐기되어야 합니다. 과학적 방법의 주요 이점은 예측력이 있다는 점입니다. 검증된 이론은 다양한 현상에 적용될 수 있습니다. 물론, 가장 많이 검증된 이론이라도 언젠가는 새로운 관찰이나 실험 결과에 의해 반박될 수 있습니다. 이론은 결코 완전히 증명될 수 없으며, 오직 완전히 반증될 수 있습니다.

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가설 테스트하기

가설을 테스트하면 두 가지 결과 중 하나에 도달할 수 있습니다: 가설이 확인되거나, 가설이 기각되어 변경하거나 새로운 가설을 생성해야 함을 의미합니다. 실험 결과가 반복적으로 명확하게 가설이 틀렸음을 보여줄 때 반드시 이 과정이 일어나야 합니다. 이론이 아무리 정교하거나 많은 지지를 받더라도, 단 한 번이라도 반증된다면 자연의 법칙으로 간주될 수 없습니다. 실험은 과학적 방법에서 최고의 규칙이며, 만약 실험이 가설이 옳지 않음을 보여준다면, 그것은 그 가설을 지지했던 이전의 모든 실험을 능가합니다. 이러한 실험은 때로 이론을 직접적으로, 때로는 논리와 수학을 통해 간접적으로 검증합니다. 과학적 방법은 모든 이론이 어떤 방식으로든 검증 가능해야 함을 요구합니다. 검증 불가능한 이론은 과학적 이론으로 간주되지 않습니다.

이론이 반증된 경우에도, 그 이론이 어떤 방식으로든 적용될 수 있을지 모르지만 더 이상 자연의 참된 법칙으로 간주되지는 않습니다. 예를 들어, 뉴턴의 법칙은 속도가 빛의 속도보다 빠른 경우에는 반증되었지만, 느린 속도를 사용하는 역학에는 여전히 적용될 수 있습니다. 오랜 세월, 심지어 수 세기 동안 참이라고 여겨졌지만 새로운 관찰로 인해 반증된 다른 이론들로는 지구가 태양계의 중심이라는 생각이나, 행성들이 완벽한 원형 궤도를 그리며 태양을 공전한다는 생각 등이 있습니다. 현재는 타원 궤도가 입증되었습니다.

물론, 가설이나 입증된 이론이 단 하나의 실험에 의해 항상 반증되는 것은 아닙니다. 이는 실험에 오류가 있을 수 있기 때문이며, 한 번 실패한 것처럼 보이는 가설은 여러 독립적인 테스트에 의해 여러 번 검증됩니다. 오류를 유발하는 요인에는 잘못된 기기, 측정값이나 데이터의 오독, 연구자의 편견 등이 있습니다. 대부분의 측정에는 오차가 포함되어 있습니다. 과학자들은 테스트에서 오류를 유발할 수 있는 모든 요인을 추정하고 계산하면서, 그 오차를 가능한 한 작게 만들기 위해 노력합니다.

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과학적 방법 적용에서의 일반적인 실수

안타깝게도, 과학적 방법이 항상 올바르게 적용되는 것은 아닙니다. 실수는 발생하며, 그중 일부는 상당히 흔합니다. 모든 과학자는 편견과 선입견을 가진 인간이기 때문에, 어떤 경우에는 진정으로 객관적이기 어려울 수 있습니다. 모든 결과가 가능한 한 편견에 오염되지 않는 것이 중요하지만, 항상 그렇게 되는 것은 아닙니다.
또 다른 일반적인 실수는 어떤 것을 상식으로 받아들이거나 너무 논리적이어서 실험할 필요가 없다고 결정하는 것입니다. 과학자들은 모든 것이 확고한 가설로 간주되기 전에 반드시 실험되어야 한다는 것을 기억해야 합니다.

과학자들은 또한 가설을 무효화하는 데이터를 포함하여 모든 데이터를 살펴볼 준비가 되어 있어야 합니다. 일부 과학자들은 자신들의 가설을 너무 강하게 믿어서 그것을 반증하는 데이터를 설명하려고 합니다. 그들은 그 데이터나 실험이 잘못되었을 이유를 찾고자 하며, 가설을 다시 살펴보려 하지 않습니다. 모든 데이터는 가설에 반하더라도 동일한 방식으로 고려되어야 합니다.

또 다른 일반적인 문제는 실험 중 발생할 수 있는 모든 오류를 추정하는 것을 잊는 것입니다. 가설과 모순되는 일부 데이터는 오류 범위 안에 속하는 것으로 설명되었지만, 실제로는 연구자들이 단순히 고려하지 않은 체계적인 오류였습니다.

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가설, 모델, 이론, 그리고 법칙

일부 사람들은 “이론”과 “가설”과 같은 단어를 잘못 혼용하여 사용하지만, 과학계에서는 이러한 용어들에 대해 매우 엄격한 정의가 있습니다.

가설: 가설은 일반적으로 인과관계에 근거한 관찰입니다. 아직 검증되지 않은 기본적인 생각입니다. 가설은 어떤 현상을 설명하는 생각에 불과합니다. 이것은 이를 증명하거나 반증하기 위해 여러 실험을 거쳐야 합니다.

모델: 가설이 어느 정도의 실험을 거쳐 타당한 관찰로 보일 때 모델이 됩니다. 일부 모델은 특정 값이 특정 범위 내에 있을 때와 같이 특정 상황에서만 유효합니다. 모델은 법칙이라고도 불릴 수 있습니다.

과학적 이론: 반복적인 실험과 검증을 거친 모델은 과학적 이론이 될 수 있습니다. 이러한 이론들은 전 세계 여러 독립 연구자들이 다양한 실험을 통해 검증하였으며, 모두 이 이론을 지지하였습니다. 물론 이론도 반증될 수 있지만, 이는 이론과 모순되는 새로운 가설을 엄격히 검증한 후에만 가능합니다.

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결론

과학적 방법은 수년 동안 가설을 만들고, 이를 테스트하며, 완전한 과학 이론으로 발전시키기 위해 사용되어 왔습니다. 처음 보기에는 매우 간단한 방법처럼 보이지만, 실제로는 관찰이나 아이디어를 테스트하고 평가하는 가장 복잡한 방법 중 하나입니다. 다른 유형의 설명과 다른 점은 모든 편견을 제거하고 체계적인 실험만을 사용하여 진행하려 한다는 것입니다. 그러나 다른 방법들처럼 편견이나 기계적 오류와 같은 오류가 발생할 여지가 있습니다. 물론, 그것이 테스트하는 이론들처럼 과학적 방법도 언젠가는 수정될 수 있습니다.