科学方法——假设、模型、理论和定律

科学方法被定义为科学家为创建一个准确、可靠且一致的世界观而遵循的步骤。它也是一种最小化科学家的文化和个人信仰对其工作产生影响和干扰的方式。它试图使人们对自然和自然现象的感知和解释尽可能科学和中立。它最大限度地减少了科学家对实验、假设或理论结果的偏见和主观影响。

科学方法可以分为四个步骤：

1. 观察并描述现象（或各种现象的集合）。
2. 创建假设，以解释这些现象。在物理学中，这通常意味着建立一种数学关系或因果机制。
3. 利用该假设尝试预测其他相关现象，或另一组观察结果。
4. 测试这些预测的绩效，通过独立实验加以验证。

如果这些实验的结果支持该假设，那么它可能成为一个理论甚至自然法则。然而，如果结果不支持该假设，则必须对其进行修改或彻底否定。科学方法的主要优势在于它具有预测能力——一个被证实的理论可以应用于广泛的现象。当然，即使是经过最多次验证的理论，也有可能在某一时刻被证明是错误的，因为可能会有新的观测记录或实验结果与之相矛盾。理论永远无法被完全证明，只能被完全证伪。

• 科学方法的步骤 – 基本介绍
• 科学方法的维基百科条目 – 介绍了该方法的历史
• 科学方法的定义 – 也包含了其使用的简要历史
• 科学方法的步骤 – 更详细地介绍每一个步骤

检验假设

检验一个假设可能导致两种结果：假设被证实或假设被否定，这意味着要么需要修改假设，要么需要创建一个新假设。如果实验反复明确地表明假设是错误的，那么就必须这样做。无论一个理论多么优雅或有多大支持——如果它一旦被证伪，就不能被视为自然定律。实验是科学方法中的最高准则，如果实验表明假设不真实，它就会推翻所有支持该假设的先前实验。这些实验有时直接测试理论，而其他时候则通过逻辑和数学间接测试理论。科学方法要求所有理论必须以某种方式可检验——那些不能检验的理论不被视为科学理论。

如果一个理论被证伪，该理论可能在某些方面仍然适用，但不再被视为真正的自然定律。例如，牛顿定律在速度超过光速的情况下被证伪，但它们仍然可以应用于使用较低速度的力学。其他一些被广泛认为是真理的理论，甚至持续了数年甚至数个世纪，由于新观察而被证伪，包括地球是我们太阳系中心的观点，或者行星围绕太阳在完美的圆形轨道上运行而不是现在已被证明的椭圆轨道。

当然，一个假设或已证实的理论并不总是被单一实验所证伪。这是因为实验可能存在错误，因此一个看似失败的假设会通过多个独立测试进行多次验证。可能导致错误的因素包括仪器故障、误读测量或其他数据，或者研究者的偏见。大多数测量结果都是有一定误差范围的。科学家努力使误差范围尽可能小，同时仍然估计和计算任何可能导致实验误差的因素。

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• 研究假设测试 – 它是什么，以及如何测试？
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应用科学方法的常见错误

不幸的是，科学方法并不总是被正确应用。错误确实会发生，而且其中一些错误实际上相当常见。由于所有科学家都是有偏见和成见的人类，在某些情况下很难做到真正的客观。重要的是，所有结果都尽可能不受偏见影响，但这并不总是实现。
另一个常见错误是将某些事物视为常识或认为某些事物合乎逻辑到不需要测试。科学家必须记住，所有事物在被视为稳固假设之前都必须经过测试。

科学家还必须愿意查看每一项数据，即使那些数据使假设无效。有些科学家如此坚信他们的假设，以至于他们试图解释掉那些反驳假设的数据。他们希望找到某种理由来说明为什么这些数据或实验一定是错误的，而不是重新审视他们的假设。所有数据都必须以相同的方式考虑，即使它与假设相悖。

另一个常见问题是忘记估计在测试过程中可能出现的所有错误。有些与假设相矛盾的数据被解释为在误差范围之内，但实际上是研究人员没有考虑到的系统误差。

• 年轻研究人员的错误 – 新科学家可能犯的15个常见错误
• 实验误差 – 对假阳性和假阴性的探讨
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假设、模型、理论和定律

虽然有些人确实错误地将“理论”和“假设”等词互换使用，但科学界对这些术语有非常严格的定义。

假设：  假设是一种观察，通常基于因果关系。 它是尚未经过测试的基本想法。 假设只是解释某事的一种想法。 它必须经过多次实验来证明或反驳。

模型： 一旦经过一些测试并且似乎是有效的观察，假设就会成为模型。 有些模型仅在特定情况下有效，例如当某个值在一定范围内时。 模型也可以称为定律。

科学理论： 一个经过反复测试和确认的模型可以成为科学理论。 这些理论已经被世界各地的许多独立研究人员通过各种实验进行了测试，并且都支持该理论。 当然，理论可能被推翻，但这只有在严格测试一个似乎与之相悖的新假设之后才会发生。

• 什么是假设？ – 假设的定义及其在科学方法中的作用
• 假设、理论和定律 – 各自的定义
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结论

科学方法多年来一直被用于创造假设、测试它们，并将其发展为完整的科学理论。乍一看，这似乎是一个非常简单的方法，但实际上，它是测试和评估观察或想法最复杂的方法之一。它不同于其他类型的解释，因为它试图消除所有偏见，仅通过系统的实验向前推进。然而，像任何方法一样，也存在误差的可能，例如偏见或机械错误。当然，就像它所测试的理论一样，科学方法也可能在某一天被修订。