과학적 방법 – 가설, 모델, 이론, 법칙

과학적 방법은 과학자들이 정확하고 신뢰할 수 있으며 일관된 세계관을 만들기 위해 따르는 단계로 정의됩니다. 이는 또한 과학자의 문화적 및 개인적 신념이 그들의 작업에 미치는 영향을 최소화하는 방법입니다. 사람의 자연 및 자연 현상에 대한 인식과 해석을 가능한 한 과학적이고 중립적으로 만들려고 합니다. 실험, 가설 또는 이론의 결과에 대한 과학자의 편견과 선입견을 최소화합니다.

과학적 방법은 네 단계로 나눌 수 있습니다:

1. 현상(또는 다양한 현상의 그룹)을 관찰하고 기술합니다.
2. 현상을 설명하는 가설을 만듭니다. 물리학에서는 종종 수학적 관계나 인과 메커니즘을 만드는 것을 의미합니다.
3. 이 가설을 사용하여 다른 관련 현상이나 또 다른 관찰 세트의 결과를 예측하려고 시도합니다.
4. 독립적인 실험을 사용하여 이러한 예측의 성능을 테스트합니다.

이 실험의 결과가 가설을 지지하면, 그것은 이론 또는 심지어 자연의 법칙이 될 수 있습니다. 그러나 가설을 지지하지 않으면 변경되거나 완전히 거부되어야 합니다. 과학적 방법의 주요 이점은 예측력이 있다는 것입니다—증명된 이론은 광범위한 현상에 적용될 수 있습니다. 물론, 가장 많이 테스트된 이론조차도 어느 시점에서는 잘못된 것으로 판명될 수 있습니다. 새로운 관찰이 기록되거나 그것을 반박하는 실험이 수행될 수 있기 때문입니다. 이론은 완전히 증명될 수 없고, 오직 완전히 반증될 수 있습니다.

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가설 검증

가설을 검증하는 것은 두 가지 결과 중 하나로 이어질 수 있습니다: 가설이 확인되거나 가설이 기각되는 것입니다. 즉, 가설이 변경되거나 새로운 가설이 생성되어야 합니다. 실험이 반복적으로 명확하게 그 가설이 틀렸음을 보여줄 때, 반드시 이러한 일이 발생해야 합니다. 이론이 아무리 우아하고 뒷받침되더라도, 한 번이라도 반증될 수 있다면 자연의 법칙으로 간주될 수 없습니다. 실험은 과학적 방법에서 최고의 규칙이며, 실험이 가설이 사실이 아님을 보여준다면 그것은 이전의 모든 실험을 능가합니다. 이러한 실험은 때때로 이론을 직접 테스트하며, 다른 경우에는 논리와 수학을 통해 간접적으로 이론을 테스트합니다. 과학적 방법은 모든 이론이 어떤 방식으로든 테스트 가능해야 한다고 요구합니다. 테스트할 수 없는 이론은 과학적 이론으로 간주되지 않습니다.

이론이 반증되면, 그 이론은 여전히 어떤 방식으로는 적용될 수 있지만 더 이상 진정한 자연의 법칙으로 간주되지 않습니다. 예를 들어, 뉴턴의 법칙은 속도가 빛의 속도보다 클 때 반증되었지만, 더 느린 속도를 사용하는 역학에는 여전히 적용될 수 있습니다. 새로운 관찰로 인해 반증된, 몇 년 또는 몇 세기 동안 널리 진실로 받아들여졌던 다른 이론들에는 지구가 태양계의 중심이라는 생각이나 행성들이 이제 입증된 타원 궤도가 아닌 완벽한 원 궤도로 태양을 돈다는 생각이 포함됩니다.

물론, 가설이나 입증된 이론이 단 한 번의 실험으로 항상 반증되는 것은 아닙니다. 이는 실험에 오류가 있을 수 있기 때문입니다. 한 번 실패한 것처럼 보이는 가설은 여러 독립적인 테스트에 의해 여러 번 테스트됩니다. 오류를 유발할 수 있는 것들에는 결함이 있는 도구, 측정값이나 기타 데이터의 오독, 연구자의 편향이 포함됩니다. 대부분의 측정값은 일정한 정도의 오류와 함께 제공됩니다. 과학자들은 테스트에서 오류를 일으킬 수 있는 모든 것을 추정하고 계산하면서 그 오류의 정도를 가능한 한 작게 만들기 위해 노력합니다.

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과학적 방법 적용 시 흔히 하는 실수

불행히도, 과학적 방법이 항상 올바르게 적용되는 것은 아닙니다. 실수는 발생하며, 그 중 일부는 실제로 꽤 흔합니다. 모든 과학자가 편견과 선입견을 가진 인간이기 때문에, 어떤 경우에는 진정으로 객관적이기 어려울 수 있습니다. 모든 결과가 가능한 한 편견에 오염되지 않도록 하는 것이 중요하지만, 그것이 항상 일어나는 것은 아닙니다. 또 다른 흔한 실수는 어떤 것을 상식으로 받아들이거나 너무 논리적이라고 판단하여 테스트할 필요가 없다고 결정하는 것입니다. 과학자들은 모든 것이 확고한 가설로 간주되기 전에 테스트되어야 한다는 것을 기억해야 합니다.

과학자들은 가설을 무효화하는 데이터조차도 모든 데이터를 기꺼이 살펴보아야 합니다. 일부 과학자들은 그들의 가설을 너무 강하게 믿어서 그것을 반증하는 데이터를 설명하려고 합니다. 그들은 그 데이터나 실험이 잘못되었다고 생각할 이유를 찾으려 하고, 그들의 가설을 다시 살펴보지 않습니다. 모든 데이터는 가설에 반하더라도 동일한 방식으로 고려되어야 합니다.

또 다른 흔한 문제는 테스트 중 발생할 수 있는 모든 가능한 오류를 추정하는 것을 잊는 것입니다. 가설에 반하는 일부 데이터는 오류 범위에 속한다고 설명되었지만, 실제로는 연구자가 단순히 고려하지 않은 체계적인 오류였습니다.

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가설, 모델, 이론, 그리고 법칙

일부 사람들은 “이론”과 “가설”과 같은 단어를 잘못 사용하지만, 과학 공동체는 이 용어들에 대해 매우 엄격한 정의를 가지고 있습니다.

가설: 가설은 보통 원인과 결과에 기반한 관찰입니다. 이는 검증되지 않은 기본 아이디어입니다. 가설은 어떤 것을 설명하는 아이디어에 불과합니다. 이를 입증하거나 반증하기 위해 설계된 여러 실험을 거쳐야 합니다.

모델: 가설은 일부 테스트가 이루어지고 유효한 관찰로 보일 때 모델이 됩니다. 일부 모델은 특정 범위 내의 값처럼 특정 사례에서만 유효합니다. 모델은 법칙이라고도 불릴 수 있습니다.

과학적 이론: 반복적으로 테스트되고 확인된 모델은 과학적 이론이 될 수 있습니다. 이러한 이론들은 전 세계의 여러 독립 연구자들에 의해 다양한 실험을 통해 검증되었으며, 모두 이 이론을 지지합니다. 물론 이론은 반증될 수 있지만, 이를 반박할 것처럼 보이는 새로운 가설에 대한 엄격한 테스트 후에만 가능합니다.

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결론

과학적 방법은 가설을 만들고 테스트하여 이를 완전한 과학 이론으로 발전시키기 위해 오랫동안 사용되어 왔습니다. 처음에는 매우 간단한 방법처럼 보이지만, 실제로는 관찰이나 아이디어를 테스트하고 평가하는 가장 복잡한 방법 중 하나입니다. 이는 다른 유형의 설명과는 달리 모든 편견을 제거하고 체계적인 실험만을 사용하여 진행하려고 시도합니다. 그러나 어떤 방법이든 편견이나 기계적 오류와 같은 오류의 여지는 있습니다. 물론, 테스트하는 이론처럼 과학적 방법도 언젠가 수정될 수 있습니다.