[Fragments of Science #0]

English

[Fragments of Science] – Phương pháp khoa học

Tuy là nền tảng của khoa học, phương pháp khoa học (Scientific Method) vẫn còn là một khái niệm khá xa lạ với nhiều người. Để học khoa học một cách có hệ thống hơn, việc hiểu rõ khái niệm này là rất quan trọng. Vì vậy, bài đăng đầu tiên của “Fragments of Science” sẽ giới thiệu cho bạn về phương pháp khoa học mà cụ thể hơn là các bước chi tiết để đi đến một kết luận khoa học, đi kèm với những ví dụ cụ thể về các bước này trong lịch sử.

Lưu ý:

  • Phương pháp khoa học rất đa dạng và linh hoạt. Có một số quan điểm khác nhau về các bước cụ thể, tầm quan trọng của phương pháp,… Chúng mình đã cố gắng tổng hợp những quan điểm phổ biến nhất về vấn đề này. Nếu có ý kiến gì, các bạn hãy bình luận ở dưới bài viết nhé!
  • Toán học là một trường hợp đặc biệt. Toán lý thuyết không tuân theo phương pháp khoa học, thay vào đó, các mệnh đề được chứng minh dựa trên một hệ tiên đề được xác lập trước. Sau khi một mệnh đề được chứng minh, nó được coi là chân lý tuyệt đối, trái với một mệnh đề khoa học có thể bị phủ định bởi bất kì thí nghiệm nào. Trong khi đó, toán ứng dụng sử dụng các mô hình để giải quyết các bài toán thực tế thì lại đi theo phương pháp khoa học như được trình bày ở dưới.

1. Quan sát hiện tượng
Đây là bước đầu tiên, vì khoa học là một ngành học dựa trên nền tảng là hiện tượng trong cuộc sống. Muốn giải thích một điều gì, trước hết ta phải chứng kiến nó. Việc quan sát hiện tượng đôi khi chỉ bắt đầu bằng các sự kiện đơn giản như bầu trời có màu xanh, hoặc các con tàu biến mất dưới đường chân trời. Tuy nhiên, “quan sát” trong nghiên cứu khoa học cũng có thể là “quan sát” cả những thứ không nhìn được bằng mắt thường, hay là một khái niệm trừu tượng mà cần đến trí tưởng tượng. Chẳng hạn, Einstein đã phát triển thuyết tương đối hẹp từ một thí nghiệm tưởng tượng trong đó ông đuổi theo một chùm sáng với vận tốc ánh sáng, và các nhà địa chất “quan sát” lõi Trái đất thông qua sóng địa chấn.

2. Đặt câu hỏi
Như chính cái tên của mình, bước này đặt ra miền kiến thức cần được khám phá. Đây là bước tạo nên sự khác biệt cho các nhà khoa học thực thụ vì ta rất dễ bị “đánh lừa” và “lạc lối” trong những thắc mắc, câu hỏi. Dựa trên những gì quan sát được, các nhà khoa học tìm ra những điều còn rắc rối và khó hiểu rồi nghiên cứu chúng. Có thể nói, câu hỏi “Tại sao lại thế?” chính là động lực để ta trau dồi thêm kiến thức, và điều này làm cho nó trở nên cực kỳ quan trọng đối với sự phát triển của khoa học. Quả táo rơi là một chuyện hoàn toàn bình thường, xảy ra mỗi ngày, nhưng nó đã khiến Newton tò mò và kiếm tìm nguyên nhân. Kết hợp với những dữ liệu thu được về các hành tinh quay quanh Mặt Trời, ông kết luận rằng đó là lực hấp dẫn. Một ví dụ khác là câu hỏi của Charles Darwin về sự khác nhau của mỏ các loài chim trên các đảo khác nhau trên quần đảo Galápagos.

3. Giả thuyết
Nếu bước 2 là đặt cho ta một câu hỏi thì bước này sẽ đưa ra câu trả lời cho câu hỏi đó. Mỗi nhà khoa học đề xuất cách giải thích của riêng mình cho một hiện tượng nhất định, và từ đó các giả thuyết được ra đời. Đôi khi, một giả thuyết là hết sức đồ sộ, được xây dựng bằng các công trình của nhiều nhà khoa học khác nhau, điển hình là Mô hình Chuẩn trong vật lý. Nhiều người cho rằng một giả thuyết cần phải có tính “có thể phủ định”: đưa ra các dự đoán có thể được chứng minh là sai. Các giả thuyết hiện tại thường tương đối mới, mặc dù những giả thuyết “già” không phải là hiếm. Một giả thuyết được nhiều người biết đến là giả thuyết Alvarez, được đề xuất vào năm 1980, và thường bị nhầm lẫn là đã được xác nhận, phát biểu rằng sự tuyệt chủng của khủng long là do một tiểu hành tinh khổng lồ đâm vào Trái đất. Mặc dù có bằng chứng cho cả hai luồng ý kiến của cuộc tranh luận liên quan đến giả thuyết này, không đủ nghiên cứu đã được thực hiện để xác nhận hoặc phủ nhận nó.

4. Thực nghiệm
Đây là lúc ta cần thu thập các dữ liệu liên quan đến giả thuyết. Trước hết, các nhà khoa học phải tạo ra một danh sách dự đoán dựa trên giả thuyết đó. Rồi sau đó, họ sẽ thiết kế một hoặc nhiều thử nghiệm theo từng dự đoán nhằm mang lại kết quả cần thiết để suy xét tính đúng đắn của dự đoán đó. Và việc tiếp theo phải làm là tiến hành các thí nghiệm và ghi lại tất cả các kết quả. Nhiều khi, cần có nhiều hơn một thí nghiệm cho mỗi dự đoán. Nhiều người coi bước này là bước duy nhất thực sự quan trọng trong nghiên cứu khoa học, và điều đó hoàn toàn sai lầm. Tuy nhiên, phải công nhận rằng, thực nghiệm là bước quan trọng nhất. Hình thức phổ biến nhất là làm thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhưng các kết quả từ các chuyến đi nghiên cứu thực nghiệm ngoài trời hoặc từ những cuộc khảo sát cũng có giá trị rất lớn. Một số thí nghiệm có các đơn vị đo lường được (ví dụ: khoảng cách), một số lại có các đơn vị vô lượng (ví dụ: màu sắc). Một phép thực nghiệm quen thuộc trong ngành hóa học phân tích là chuẩn độ, ta thu được kết quả dưới dạng thể tích của dung dịch chuẩn và từ đó tính ra nồng độ của dung dịch mẫu. Một chuyến đi thực nghiệm rất nổi tiếng trong lịch sử là chuyến đi quan sát nhật thực toàn phần do Arthur Eddington dẫn đầu năm 1919 đã xác nhận một dự đoán quan trọng của thuyết tương đối rộng.

5. Phân tích & Kết luận
Bước này yêu cầu ta so sánh giữa các dự đoán, hay chính xác hơn là giữa các kết quả được mong đợi từ việc dự đoán và kết quả thu được từ các thử nghiệm. Sau đó, kết quả sẽ được sắp xếp thành ba loại: xác nhận dự đoán, phủ nhận dự đoán hoặc không đi đến kết luận. Trong bước này, các nhà khoa học cần kiểm tra thật kỹ phương pháp làm thí nghiệm của họ, phân tích sai số và các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác. Nếu vì một lý do nào đó, thí nghiệm có sai số lớn, gặp trục trặc hoặc không áp dụng cho dự đoán, một thí nghiệm khác phải được thực hiện. Kết thúc bước này là một kết luận và đánh giá về tính chính xác của giả thuyết. Nếu một dự đoán sai, thì giả thuyết đó không được công nhận. Kết quả “không thể kết luận” khi các dự đoán chưa được kiểm chứng rõ ràng. Còn lại, giả thuyết sẽ được coi là đúng. Một trong những giả thuyết nổi tiếng nhất vốn được coi là đúng đắn được ra đời vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 về sự tồn tại của các kênh đào sao Hỏa. Nhờ các kính viễn vọng tốt hơn, giả thuyết sau đó đã bị phủ nhận: các “kênh đào” thực chất chỉ là ảo ảnh.

6. Chỉnh sửa
Đây là bước cuối cùng của phương pháp và sẽ hoàn thành chu trình khoa học. Từ bước này, các nhà khoa học làm việc để mở rộng thành tựu của họ bằng cách so sánh chúng với các thí nghiệm khác về cùng đối tượng. Các nghiên cứu khác nhau có thể có kết luận khác nhau, và sự khác biệt ấy dẫn đến việc cần thêm nhiều nghiên cứu hơn về vấn đề này. Kết quả “không thể kết luận” có thể yêu cầu ta hiểu rõ vấn đề hơn và làm nhiều thí nghiệm hơn. Các giả thuyết sai sẽ được cải tiến để đưa ra dự đoán chính xác hơn hoặc được thay thế hoàn toàn bằng các giả thuyết mới (ví dụ: thuyết sản sinh tự phát bị vứt bỏ sau thí nghiệm năm 1859 của Louis Pasteur). Các giả thuyết đúng sẽ thúc đẩy nhiều phát hiện hơn trong các sự kiện liên quan (ví dụ: bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học). Tuy nhiên, bất kể đó là con đường nào, chúng ta có thể chắc chắn rằng nó sẽ không bao giờ kết thúc. Kiến thức là vô tận. Khoa học là vô tận.

Ví dụ: Quy luật phân li của Mendel
Khi nhân giống đậu Hà Lan trên quy mô lớn và tập trung vào hình dạng hạt đậu, Mendel đã khám phá được một điều rất thú vị. Ông quan sát được khi các cây thuần chủng với 2 tính trạng hạt khác nhau là trơn và nhăn được lai chéo, thế hệ tiếp theo sẽ hoàn toàn chỉ có các hạt trơn. Nếu thế hệ đó được lai chéo một lần nữa, đời cây tiếp theo sẽ cho tỷ lệ trơn : nhăn là khoảng 3 : 1. Mendel đặt ra câu hỏi về cách tính trạng trơn “trội” hơn so với tính trạng nhăn và cách tính trạng nhăn xuất hiện trở lại sau khi bị ẩn đi trong 1 thế hệ. Ông đã xây dựng giả thuyết rằng các gen quy định tính trạng, với một alen trội quy định tính trạng trơn và một alen lặn quy định tính trạng nhăn. Tuy nhiên, phải mất một thời gian dài sau đó khi các thí nghiệm khác xác nhận thì quy luật này mới được công nhận vì thí nghiệm của Mendel bị coi là không đủ khách quan. Mặc dù ông không may qua đời trước khi chứng kiến những thành tựu của mình được chấp nhận, Mendel vẫn được coi là cha đẻ của gen di truyền và là người đặt nền móng cho lĩnh vực này.

Nguồn/Credit:

  • Britannica Encyclopedia – Scientific method, Spontaneous generation, Falsifiability, Mendelian inheritance
  • National Geograpic – Why did the dinosaurs go extinct?
  • NASA – The ‘Canali’ and the First Martians
  • Charles M. Wynn & Arthur W. Wiggins – 5 ý tưởng vĩ đại nhất trong khoa học

[Fragments of Science #0] – Scientific Method

Though it is known that the scientific method is the foundation of science, many people have never had a grasp of it. Therefore, this work is created with a goal to help science learners become better-prepared for the path to wisdom. We will present to you the detailed steps of reaching a scientific conclusion, as well as examples of how the steps are applied.

Note:

  • The scientific is very diverse and flexible. There are many different opinions about the detailed steps and the importance of the method, etc. We tried our best to summarize the most prominent views about this issue. If you have any thoughts, we welcome you to voice them in the comment section below.

  • Mathematics is a special case. Theoretical mathematics do not follow the scientific method, instead, statements are proved based on a set of axioms. After being proved, they are regarded as absolute truth, in contrast to a scientific statement which can be disproved by any experiment. Meanwhile, applied mathematics, using models to solve real-world problems, do follow the scientific method as presented below.

1. Observation
This is the first step, for science is a discipline based on reality. Before explaining a situation, one must witness that situation. Observation sometimes starts with simple events, such as the sky is blue, or ships disappear over the horizon. However, observation can be an abstract concept that requires imagination, or cannot be seen by the naked eye. For example, Einstein developed the theory of relativity from a thought experiment in which he pursues a light beam at the speed of light, and geologists examine the earth’s core through seismic waves.

2. Question
As the name suggests, this step addresses a piece of knowledge not yet explored. This is the step that differentiates scientists from others because it is easy to get lost in the woods. Based on what is witnessed, scientists find the things that perplex them and examine them further. The act of asking “why” is the motivation for collecting more wisdom, making it crucial to the growth of science. An apple falling is an ordinary occurrence, but it prompted Newton to figure out the cause. Coupling it with data on the orbits of planets around the sun, Newton concluded that it was gravity. Another illustration is Charles Darwin’s question about the dissimilarity of the beaks in bird species on different islands in the Galápagos archipelago.

3. Hypothesis
If the previous step is going into the unknown, this step is making sense of it. Scientists propose their own explanations for a given phenomenon, thereby creating a hypothesis. Sometimes, a hypothesis is extremely “massive”; thus, it is built by the work of many different scientists. A typical example for this is the Standard Model in physics. Many people believe that a hypothesis needs to have “falsifiability”: making predictions that can be proved wrong. Many current hypotheses are relatively new, although those with many years of age are not uncommon. The Alvarez hypothesis, born in 1980, and often mistaken to have been confirmed, states that the extinction of dinosaurs was caused by a massive asteroid striking Earth. There is evidence for both sides of the argument relating to this hypothesis, but not enough research has been done to confirm or deny it.

4. Experiment
This is the time to compile data relevant to the hypothesis. First of all, scientists must create a list of predictions based on that hypothesis. The next right thing is designing a test according to each prediction, one that yields the results needed for probing its validity. Many experiments may be required for one prediction, though. After that, scientists will conduct the experiments and record all the results. Many consider this the only important step in science, and this post will show you that it is not true. Nevertheless, it should be acknowledged that experiment is the most important step. The most popular form of experimenting is in a laboratory, but scientists also receive results from an open space or from surveying people. Some experiments come in measurable units (e.g., distance), while others come in immeasurable units (e.g., color). A common experiment in analytical chemistry is titration, whose results are in the volume of the standard solution and thus scientists can calculate the concentration of the sample solution. One extremely famous experiment outside of laboratory in history was the expedition to observe total eclipses led by Arthur Eddington in 1919, which confirmed a consequential prediction of General Relativity.

5. Analysis & Conclusion
This step demands the comparison between the predictions, or more precisely, the results expected from the predictions, and the results derived from the tests. Then, results will be sorted into three categories: confirming the prediction, denying the prediction, or being inconclusive. In this step, it is helpful that scientists check the methodology of their experiments. If, for a reason, the experiment has low precision, is flawed, or does not apply to the prediction, one substitute must be carried out. This step results in a conclusion, a verdict on the accuracy of the hypothesis. If one prediction turns out to be false, the hypothesis is false. For inconclusive results, jump to the next step. Otherwise, the hypothesis will be deemed likely to be true. One of the most famous hypotheses that turned out to be incorrect is one during the late 19th century and early 20th century about the existence of Martian canals. Thanks to better telescopes, it was disproven: the “canals” were a result of an optical illusion.

6. Refinement
This is the last step of the method and will complete the cycle of science. First, from this step, scientists work to expand their achievements by comparing them with other experiments on the same subject. Different studies may have different conclusions, and that disparity provokes more research into the issue. Inconclusive results may need more insight and experiments. False hypotheses will be refined to make more accurate predictions or entirely replaced by new ones (e.g. the spontaneous generation hypothesis was discarded after Louis Pasteur’s experiment in 1859). True hypotheses will instigate more findings in related events (e.g., the periodic table of elements). However, no matter which path it is, we can be sure that it is far from over. Knowledge is indefinite. Science is indefinite.

Example: Mendel’s Law of Segregation
Upon breeding pea plants on a large scale and focusing on the peas’ seed shape, Mendel made a discovery. His observation was that when the true-breeding plants with each seed trait, round and wrinkle, are cross-bred, the next generation would be entirely consisted of round seeds. If that generation is cross-bred again, their offsprings would be about three round seeds for every one wrinkle seed. Mendel raised the question of how the round trait “dominated” the wrinkle trait and the wrinkle trait reappeared after being hidden, or “recessive”. He constructed the hypothesis of alleles dictating the trait, with a dominant allele for round and a recessive allele for wrinkle. However, it took a long time for the law to be recognized since his own experiment was deemed bias. Later, other experiments confirmed his hypothesis. Although Mendel died before seeing his achievements becoming accepted, he was named “the father of genetics” and the one laying the foundation for the field.

Nguồn/Credit:

  • Britannica Encyclopedia – Scientific method, Spontaneous generation, Falsifiability, Mendelian inheritance
  • National Geograpic – Why did the dinosaurs go extinct?
  • NASA – The ‘Canali’ and the First Martians
  • Charles M. Wynn & Arthur W. Wiggins – 5 ý tưởng vĩ đại nhất trong khoa học

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s