Naturvidenskabelig metode Introduktion til naturvidenskab Naturvidenskab er en betegnelse for de videnskaber der studerer naturen gennem observationer. Blandt sådanne videnskaber kan nævnes astronomi, kemi, fysik, zoologi, biologi, geologi, og fysiologi. Gennem mere end 500 år har måden vi gør observationer af naturen og tolker vores data gennemgået en udvikling, og grænserne mellem de forskellige videnskabs-discipliner har ændret sig med opdagelsen og udviklingen af nye felter. Eksempelvis omhandler fysik den ikke-levende natur, men er med udviklingen af computeren også begyndt at omfatte studiet af kunstig intelligens hvor grænsen til den til levende natur (biologi) viser sig at være flydende. Et andet eksempel finder vi med udviklingen af nye astronomiske observations-instrumenter, der muliggjorde opdagelsen af organiske forbindelser i rummet. Herved opstår et nyt forskningsfelt,- studiet af livets oprindelse, og muligheder i rummet under fagområdet bioastronomi. Naturvidenskabelig metode En af grundene til at mange betragter metode som vanskeligt og forvirrende er, at man blander videnskabsteoretisk metode sammen med arbejdsmetoder. Det danske sprog gør, at vi bruger ordet metode, når vi skal forklare, hvordan vi udfører et eksperiment (fx vi tager et termometer og dypper i vand, venter 5 sekunder og aflæser). Desværre bruger vi også ordet metode, når vi skal forklare hvilken videnskabsteoretisk metode, der ligger bag udførelsen af dette eksperiment. Videnskabsteoretisk metode handler om, hvordan man omsætter data til teorier og forståelse, samt hvordan viden indenfor fagene er opnået. I dette afsnit introduceres væsentlige naturvidenskabelige metoder og eksempler på, hvordan det kan bruges. Observation og tolkning Helt overordnet set, så handler naturvidenskab om at eksperimentere, observere, behandle, tolke og omsætte data til teorier og forståelse. Alle typer af data (observationer), der ligger til grund for videnskab betegnes som empiri. I naturvidenskab handler mange observationer om noget, der kan måles, vejes, registreres og beskrives. En præcis observation er derfor en central del af de naturvidenskabelige videnskabelige metoder - uanset den videnskabsteoretiske tilgang. I forbindelse med observationer og datatolkning er korrekt brug af fagsprog og fagudtryk meget væsentligt. Den induktive metode. Langt de fleste teorier (se forklaring nedenfor) indenfor naturvidenskab er fremkommet ved, at man har indsamlet data om noget, man har undret sig over, hvorefter man har lavet en hypotese (se forklaring nedenfor) om emnet. Herefter har man lavet eksperimenter og indsamlet flere data om emnet og hvis alle data peger i samme retning, så kan hypotesen omsættes til teori. Ved at bruge den induktive metode laver man altså en teori på baggrund af indsamlede data Eksempel: Man undrer sig over at havet fryser til is senere end en sø - opstiller en hypotese om, at det skyldes havets indhold af salte, der ændrer vandets frysepunkt. Dette er set mange gange og mange steder, og derfor ophøjes hypotesen til teori: salt i vand sænker vands frysepunkt. En hypotese er en fagligt begrundet antagelse. Det er altså ikke bare et gæt, men en fagligt begrundet antagelse om, hvordan resultatet af forsøget/eksperimentet vil slutte. 1
En teori er veletablerede lærersætninger, der forklarer de fleste eller alle observationer indenfor et fagområde. I gymnasiet er de fleste lærebøger baseret på anerkendte teorier. Eksempler på teorier indenfor naturvidenskab er teorien om pladetektonik, der forklarer forekomsten af bjergkæder, jordskælv og vulkaner. Empiri: Data (tidsmålinger, temperaturmålinger, observationer osv.) der ligger til grund for videnskabelige undersøgelser. Hypotetisk-deduktivmetode: Den klassiske naturvidenskabelige metode For at kontrollere om teorien om at havet fryser senere end den nærliggende sø skyldes havets saltindhold, kan man udføre en række eksperimenter i et laboratorium. I den hypotetisk deduktive metode laver man forsøg, hvor man lidt kunstigt (hypotetisk) udelukker så mange faktorer som muligt. Man tester hypotesen ved at lave et forsøg med frysning af ferskvand og saltvand. Herefter kan hypotesen bekræftes eller forkastes (falsificeres). Konklusion: saltvand fryser ved lavere temperatur end ferskvand - hypotesen bekræftes. I modsætning til den induktive metode kræver den hypotetisk deduktive metode ofte meget kontrollerede forhold, og de fleste eksperimenter udføres i et laboratorium eller på en forsøgsstation. Man betragter den hypotetisk deduktive metode som den klassiske naturvidenskabelige metode. Nedenstående figur beskriver den videnskabelige proces i afklaringen af en hypotese. Figur 1: Grafisk fremstilling af den hypotetisk deduktive metode. 2
Bekræftelsen af en hypotese fører ikke umiddelbart frem til en egentlig teori, førend der er lavet mange undersøgelser, der bekræfter at det modsatte ikke kan være tilfældet. Hertil skal årsagssammenhængen være forklaret og ikke blot påvist. I tråd hermed er der en række andre kvaliteter der tilstræbes som ideal eksempelvis objektiv beskrivelse, reproducerbarhed (forsøgene skal kunne gentages af andre), objektive data og simpelhed. At påvise gyldigheden af en teori er udfordrende, fordi der kan være flere årsager til en given virkning. Den bagvedliggende lovmæssighed - eller årsagssammenhæng, til en begivenhed kan være skjult af andre årsager med samme virkning. Eksempelvis vil øget solindstråling medføre afsmeltning ved polerne, mens afsmeltning ved polerne ikke nødvendigvis skyldes øget solindstråling (den øgede afsmeltning kunne eksempelvis skyldes ændrede havstrømme). Eksempel: Induktiv metode: man slipper en genstand og konstaterer at den falder til jorden - heraf udleder man hypotesen/teorien om tyngdekraften. Deduktiv metode: man har teorien om tyngdekraften og afprøver, om den virker ved at slippe en genstand. I den hypotetisk deduktive metode forfiner man teorien ved at afprøve genstandens fald i lufttomme omgivelser eller under andre trykforhold. Abduktion En anden meget anvendt metode indenfor de geofaglige fag (primært geologi og geografi) er abduktion, der er defineret således: "abduktion er at se efter et mønster i et givet fænomen og forslå en hypotese herudfra". Abduktion handler altså om at finde den bedst mulige forklaring på fysiske fænomener, der ikke kan undersøges i et laboratorium. For at undersøge om den fremsatte hypotese kan bekræftes, benyttes efterfølgende andre videnskabelige metoder, fx induktive eller deduktive. Eksempel: Placeringen af jordens kontinenter og deres form har ført til hypotesen om, at de har hængt sammen. Det ses, at Afrika/Europas vestlige kystlinje passer som "puslespilsbrikker med Syd- og Nordamerikas østlige kystlinjer. Ved abduktion har man opstillet teorien om kontinenternes drift i forhold til hinanden,- kaldet teorien om pladetektonik. Men man vil aldrig kunne efterprøve teorien. Derimod kan man i et laboratorium eksperimentere med at udsætte klippeblokke for meget høje tryk og høje temperaturer, for at simulere forholdene mange km nede i jorden. På den måde kan man sandsynliggøre teorien. Figur 2:Placeringen af jordens kontinenter og deres form har ved abduktion ført til hypotesen om, at kontinenterne har hængt sammen Kvantitative og kvalitative metoder I de naturvidenskabelige fag er begreberne kvantitative og kvalitative metoder meget væsentlige og det er vigtigt at kunne skelne de to begreber fra hinanden. 3
Kvantitative metoder arbejder med kvantificerbare data, der typisk angiver størrelse, mængde, værdi mm. Fx det har regnet 11 mm det seneste døgn eller opløsningen indeholder 5g glukose. Kvalitative metoder arbejder med kvalitative data, ofte betegnet som bløde data, som altså ikke kan kvantificeres. Fx. det har regnet eller opløsningen indeholder glukose som modsætning til opløsningen indeholder ikke glukose. Eksempel: Måling af salt i saltvand kan foregå på mange måder. Man kan smage på det og konstatere at det er salt - det er en kvalitativ metode. Hvis man derimod titrerer samme vandprøve og konstaterer at saltholdigheden er på 2,94 %, så har man benyttet en kvantitativ metode Om konklusionen. I udviklingen af de naturvidenskabelige teorier tilstræbes en fuldstændig og sammenhængende beskrivelse på et stadigt mere sikkert grundlag. Gennem tiderne er videnskabelige teorier ændret mange gange, og af samme grund siges teorier at være midlertidige sandheder. Der er ingen klar grænse for hvor stor overensstemmelse der skal være mellem teori og måledata, for at vi kan konkludere rigtigheden af en teori. Dog understøttes en undersøgelse og vurderes i højere grad som troværdig, såfremt den forventede afvigelse mellem teori og data angives på forhånd og data ligger inden for denne afvigelse. Figur 3: For en frit faldende genstand betegner den blå kurve den teoretisk forventede højde som funktion af tiden. Den røde kurve repræsenterer en faktisk måling. Det ses at efter ca. ½ sekunds frit fald er genstanden faldet længere ned end teoretisk forventet, hvilket strider mod antagelsen om at at den eneste indvirkende fejlkilde luftmodstanden, vil modvirke faldet. Målingen er behæftet med en ukendt fejl, der muligvis skyldes apparaturet. Luftmodstanden gør sig synligt gældende efter 1 sekund hvilket ses fordi målingen nu ligger over den teoretisk beregnede kurve for frit fald. Muligvis modvirker de to fejlkilder hinanden gennem hele faldet. Selvom en konklusion hviler på anerkendte teorier, kan der opstå diskussioner omkring konklusionen. Årsagen hertil er ofte mangelfulde målinger eller begrænset empiri, som eksempelvis kunne skyldes det videnskabelige udstyr og tid. Det vil ikke være videnskabeligt uredeligt at fremsætte et resultat fundet ud fra mangelfulde og dermed usikre målinger, blot usikkerheden nævnes som en del af konklusionen. Uden dokumentation for (u)sikkerheden af målingerne står det rå datamateriale og konklusionen herpå, svagt. En konklusion skal derfor hvile på et objektivt dokumenteret datagrundlag, ofte med data vedlagt som bilag til en rapport. Yderligere skal konklusionen suppleres med en vurdering af fejlkilder og usikkerheder ved målingerne. 4
Men selv med et fuldstændigt dokumenteret og meget sikkert kendskab til de faktiske forhold er der plads til debat. Et tilbagevendende eksempel herpå finder vi ved udnyttelsen af jordens ressourcer. Her omhandler uenigheden ofte konsekvenserne ved udvinding eller (over)forbrug i reglen diskuteret mellem parter med modsatrettede interesser. Konsekvenserne ved udnyttelsen af naturressourcerne er en vurdering der ikke nødvendigvis følger af et sikkert kendskab til de faktiske forhold. Se eksemplet nedenfor. Figur 4: En undersøgelse foretaget af NOAA en amerikansk statslig miljø-undersøgelses-organisation, viser faldende torskebestand over de senere år. Samme type udvikling ses også i danske farvande. Mange fiskere har ud fra deres kendskab til forholdene været uenige i både målingerne og konklusionen om at udviklingen er katastrofal. Hvem har ret? 5