الطريقة العلمية (او المنهج العلمي) Scientific Method هي العملية التي يستخدمها العلماء بصورة جماعية خلال الزمن من أجل بناء صورة دقيقة عن العالم. لأن المعتقدات الشخصية والثقافية تؤثر في تصورنا وتفسيرنا للظواهر العلمية، فاننا نأمل عبر استخدام السبل والمعايير القياسية ان نقلل من هذا التأثر حينما نضع نظرية علمية. قال احد العلماء المشهورين ذات مرة " الناس الاذكياء - كما المحامين الاذكياء - يمكن ان يضعو تفسيرات جيدة جداً لوجهات نظر خاطئة". كملخص: الطريقة العلمية تحاول ان تقلل اثر الانحياز او التحامل للمجرّب عند اختبار فرضية او نظرية.
هناك اربعة مراحل في الطريقة العلمية:
- مراقبة ووصف ظاهرة او مجموعة من الظواهر
- صياغة فرضية hypothesis تفسر الظواهر. في علم الفيزياء، فان الفرضية غالباً ما تأخذ شكل آلية سببية او علاقة رياضية.
- إستخدام الفرضية للتنبؤ او توقع وجود مشاهدات اخرى او للتنبؤ كمياً بنتائج ظواهر جديدة.
- إداء اختبارات تجريبية للتنبؤات من قبل عدد من المجربين المستقلين عبر تجارب تجرى بعناية ودقة.
اذا كانت التجارب تثبت الفرضية فان الفرضية قد تصبح نظرية او قانون طبيعي (المزيد عن مفهوم الفرضية، النموذج، النظرية، والقانون فيما يلي). أما اذا لم تثبت التجارب الفرضية فان الفرضية يجب ان ترفض او تعدل. ان الجوهري في الشرح السابق للطريقة العلمية هو القوة التنبؤية للفرضية او النظرية حين يجري تجريبها. من الشائع في العلم ان يقال ان النظريات لايمكن ان يتم اثباتها وانما يمكن دحضها. فقد يكون هناك احتمال وجود مشاهدة جديدة او تجربة جديدة تناقض نظرية ظلت قائمة لفترة طويلة.
إختبار الفرضيات
كما ذكرنا سابقاً، فان الاختبارات التجريبية أما ان تؤدي الى تأكيد الفرضية او الى دحضها. حيث تقتضي الطريقة العلمية ان يتم دحض اي فرضية اذا كان ما تتنبأ به يخالف بصورة واضحة ومتكررة الاختبارات التجريبية. بالاضافة الى ذلك، فانه لايهم مدى اناقة النظرية وجمالها. إذ يتوجب ان تتوافق ما تتنبأ به النظرية مع النتائج التجريبية حتى يحكم بانها تفسير قائم للطبيعة. في الفيزياء، كما هو الحال في اي علم تجريبي، فان "التجربة هي العليا" والتحقق التجريبي من تنبوآت الفرضيات ضروري الى درجة مطلقة. والتجارب قد تختبر الفرضية بصورة مباشرة (على سبيل المثال: رصد جسيمات جديدة) او قد تختبر العواقب الناتجة من الفرضية باستخدام الرياضيات او المنطق ( على سبيل المثال: معدل عملية الاضمحلال الاشعاعي تتطلب وجود جسيمات جديدة). لاحظ ان ضرورة التجربة معناها ان تكون النظرية قابلة للاختبار. ان النظريات الغير قابلة للاختبار، لانها لاتؤدي الى وجود مشاهدات يمكن ملاحظتها، لاتعتبر نظريات علمية.
اذا وجد ان تنبوآت نظرية ظلت قائمة لفترة طويلة لا تتفق مع نتائج تجريبية حديثة فان النظرية قد ترفض كتفسير للواقع ولكنها قد تبقى مطبقة ضمن نطاق محدود من العوامل المقاسة. على سبيل المثال، قوانين الميكانيكا الكلاسيكية (قوانين نيوتن) تعتبر قائمة حينما تكون السرعة اقل بكثير من سرعة الضوء. ولأن هذا المجال يشكل جانباً كبيراً مما يختبره البشر كل يوم، فان قوانين الميكانيكا الكلاسيكية مفيدة وتطبق بصورة واسعة في الكثير من المشاكل العلمية والتكنلوجية. ومع هذا فاننا نلاحظ في الطبيعة مجالاً لا تكون فيه السرعة قليلة مقارنة بسرعة الضوء. وعندها فان حركة الاجسام في هذا المجال وفي المجال "الكلاسيكي" ايضاً يمكن وصفه بصورة دقيقة باستخدام معادلات النظرية النسبية لاينشتاين. نحن نعتقد، بسبب الاختبارات التجريبية، ان النظرية النسبية العامة تقدم وصف اعماً، وبالتالي اكثر دقة، للمبادئ التي تحكم كوننا من تلك التي تصفها القوانين الكلاسيكية القديمة. وعلاوة على ذلك فاننا نجد ان قوانين النسبية العامة تؤول الى نفس القوانين الكلاسيكية حينما تكون السرعة اقل بكثير من سرعة الضوء. وبالمثل فان القوانين الكلاسيكية لا تصح الا على مقاييس اكبر بكثير من المقاييس الذرية. أما الوصف الذي يصح في كل الاطوال، صغيرة كانت ام كبيرة، فانه يعطى عن طريق معادلات الميكانيك الكمي.
كلنا نعرف بعض النظريات التي تم دحضها بمواجهة الادلة التجريبية الجديدة. ففي مجال علم الفلك، نجد ان نظرية توسط الارض للنظام الشمسي قد اطيح بها بالنظام الكوبرنيكي Copernican system للمجموعة الشمسية، والتي وضعت الشمس في وسط سلسلة من المدارات الكوكبية الدائرية المتحدة المركز. وفي وقت لاحق، تم تعديل هذه النظرية لما وجد ان حركة الكواكب متوافقة اكثر مع مدار اهليلجي elliptical وليس دائري وبعد ذلك وجد ان حركة الكواكب يمكن ان تشتق من قوانين نيوتن للحركة.
الاخطاء التي تحصل في التجارب تأتي من عدة مصادر، فاولاً هناك اخطاء ناجمة عن اجهزة القياس، ولأن مثل هذا الخطأ قد ينتج عنه قياسات اكثر او اقل من القيمة الحقيقية للقراءة وباحتمالية متساوية فاننا نسميه خطأ عشوائي. وثانياً هناك اخطاء ليست بالعشوائية وليست بالمنهجية وانما نتيجة عوامل تحرف النتائج باتجاه معين.
ليس هناك قياسات، وبالتالي تجربة، يمكن ان تكون دقيقة الى حد الكمال. وفي الوقت ذاته، فلدينا في العلم وسائل قياسية لتقدير الخطأ وفي بعض الاحيان لتقليله. لهذا فانه من المهم تحديد مدى دقة القياسات، وحين ذكر النتائج الكمية، لابد ان يذكر مدى الخطأ في القياسات. فقياسات لا يذكر فيها مدى الخطأ تعتبر عديمة المعنى. والمقارنة بين النظرية والنتائج العملية تكون ضمن اطار الخطأ في القياسات. حيث يسأل العلماء: كم هو عدد الانحرافات المعيارية للنتائج المقاسة عن النتبوآت النظرية؟ هل تم تقدير كل الاخطاء العشوائية والمنهجية بصورة صحيحة؟
الاخطاء الشائعة في تطبيق الطريقة العلمية
كما قيل سابقاً، فان الهدف من الطريقة العلمية هو تقليل تأثير انحياز الباحث على نتائج التجربة. معنى هذا هو انه لما يتم اختبار فرضية او نظرية فان العالم قد يفضل نتيجة على الاخرى ولذا فمن المهم انلا يتسبب هذا التفضيل في التحيز الى نتيجة او تفسير معين. ان اهم خطأ قد يقع فيه العالم هو الخلط بين الفرضية وتفسير الظاهرة من دون اجراء اختبارات تجريبية. في بعض الاحيان فان البديهة والمنطق يجعلنا نظن انه لا داع لاجراء تجارب. وهناك امثلة لا تحصى على ذلك منذ ايام اليونانيين وليومنا هذا.
خطأ شائع اخر هو حينما يتم استبعاد البيانات التي لا تتوافق مع الفرضية. مثالياً، فان المجرب يكون امام احتمال ان تكون الفرضية صائبة او خاطئة. لكن عملياً فان العالم قد يكون لديه اعتقاد قوي بصدق الفرضية (او كذبها) او يقع تحت ضغط داخلي او خارجي للحصول على نتيجة معينة. في مثل هذه الحالة، فانه قد ينشىء لدى العالم ميل نفسي لايجاد "خطأ ما" في تلك البيانات التي لاتؤيد مايتوقعه العالم، بينما يقوم باهمال تلك التي تؤديها. الدرس المتوخى هنا هو ان البيانات يجب ان تعامل كلها بنفس القدر من الاهمية.
خطأ اخر ينشأ عن عدم دقة تقدير كم الاخطاء المنهجية (بالاضافة الى باقي الاخطاء). وهناك الكثير من الامثلة على بيانات تضمنت كشف جديد ضاعت بسبب مختبرين اعتبروا البيانات الجديدة بمثابة اخطاء منهجية في البيانات. وبمقابل ذلك فهناك امثلة اخرى عن ادعاء اكتشافات جديدة تبين فيما بعد انها لم تكن سوى اخطاء لم يحسب المختبر حسابها.
في الحقول العلمية التي تكون فيها التجارب نشطة ويكون هناك اتصالات مفتوحة بين افراد المجتمع العلمي، فان تحيز الافراد قد يضمحل بسبب اعادة اجراء نفس التجربة من قبل علماء اخرين قد تكون لهم انحيازات مختلفة. بالاضافة الى ان الاعداد المختلف لاجهزة القياس قد يؤدي الى اخطاء مختلفة. وعلى طوال فترة من الزمان والاختبارات المتكررة (عادة ما تمتد لعدة سنوات على الاقل) فان الاراء العلمية قد تبدأ بالتوافق على ان الفرضية قد صمدت امام اختبارات الزمان.
النظريات، الفرضيات، النماذج والقوانين
في علم الفيزياء وفي باقي التخصصات، فان مصطلح نظرية او فرضية او نموذج او قانون له دلالة تتعلق بدرجة المعلوم او المقبول عن مجموعة من الظواهر.
الفرضية هي عبارة محدودة تخص علاقة أثر ومؤثر في حالة معينة. انها ايضاً تمثل مقدار ما نعرف قبل ان نجري اي تجربة او حتى في بعض الاحيان قبل ان نقوم باي تنبوآت. كمثال على هذا من الحياة اليومية، تخيل مثلاً ان سيارتك لم تعمل، قد تقول "ان سيارتي لم تعمل لان البطارية قد نفذت" ان هذه الجملة تمثل فرضيتك الاولى. عندها ربما تقرر ان تتأكد فيما اذا كنت قد تركت المصابيح مضاءة او فيما اذا كان المحرك يصدر صوتاً معينا حينما تدور مفتاح التشغيل. وقد تقوم بقياس فرق الجهد الكهربائي على اطراف البطارية نفسها. اذا اكتشفت ان البطارية لم تنفذ بعد. فقد تبدأ بالبحث عن فرضية جديدة، كأن تقول: "ان مفتاح التدوير معطوب" او "ان هذه ليست سيارتي".
يستعمل مصطلح نموذج في تلك الحالات التي يعرف فيها ان الفرضية – على الاقل - محدودة الصلاحية. المثال الشائع على هذا هو نموذج بوهر للذرة. حيث تدور الالكترونات بمدارات دائرية حول النواة كما في المجموعة الشمسية. ان هذا ليس بالوصف الدقيق لما تبدو عليه الذرة. لكن نموذج بوهر استطاع ان يعطي وصفاً رياضياً لمستويات الطاقة المكممة للالكترون (ولكن ليس العزم الزاوي) في الحالة الابسط والمتمثلة بذرة الهيدروجين. مثال اخر على هذا هو قانون هوك (والذي من المفترض ان يسمى: مبدأ هوك، او نموذج هوك). والذي ينص على ان مقدار القوة التي تمارسها كتلة معلقة بنابض تتناسب مع مقدار الشد في ذلك النابض. نحن نعلم ان هذا النموذج يصح فقط حينما يكون مقدار الشد في النابض قليلاً. فهذا "القانون" يفشل حينما يشد النابض الى الدرجة التي يفقد بها مرونته (او ينكسر). لكن هذ المبدأ على اي حال يتنبأ بالحركة التوافقية البسيطة للنابض ويستخدم بصورة واسعة لنمذجة تصرف النوابض.
أما النظرية او القانون فتمثل فرضية، او مجموعة من الفرضيات المتعلقة ببعض، والتي تم تأكيدها عبر تجارب متكررة. غالباً ما تصاغ النظريات الفيزيائية بصورة عدد قليل من المفاهيم والمعادلات حيث توسم بانها قوانين الطبيعة حيث يكون لها انطباقاً عاماً. ان النظريات المقبولة تصبح جزء من فهمنا للكون وتستعمل في استكشاف تلك الجوانب التي تكون معارفنا فيها اقل. ليس من السهل دحض النظريات الحالية فالظواهر المكتشفة جديداً يفترض في البداية انها تتلائم مع الاطار النظري الحالي. فقط حينما لا تتلائم الظاهرة الجديدة وعبر الكثير من التجارب مع النظرية الحالية يبدأ العلماء بمساءلة النظرية ومحاولة تعديلها. ان الصلاحية التي نطلقها على النظرية العلمية كممثل للواقع في العالم المادي يجب ان توضع بمقابل طريقة الابطال السطحية التي ينطوي عليه تعبير "انها مجرد نظرية". على سبيل المثال، لا احد يخطو خارج بناية شاهقة ظناً منه انه لن يسقط لان الجاذبية مجرد نظرية.
التغييرات في الافكار والنظريات العلمية يحدث، وفي بعض الاحيان فان هذا التغيير يغير نظرتنا للعالم بصورة جذرية. ومرة اخرى، ان التغيير يكون عبر الطريقة العلمية وتأكيدها على التجربة.
هل هناك ظروف حيث لاتنطبق الطريقة العلمية؟
الطريقة العلمية مهمة في تطور المعرفة العلمية، كما انها مفيدة ايضاً في الحياة اليومية. ماذا تفعل حينما لايعمل الهاتف؟ هل المشكلة موجودة في الهاتف نفسه، او في الكابلات داخل المنزل، او في كابينة الهاتف، او في شركة الهاتف؟ ان العملية التي قد تستخدمها لحل هذه المشكلة قد تتضمن تفكيراً علمياً وقد تتناقض نتائجك النهائية مع توقعاتك الابتدائية.
مثل اي عالم جيد، فانك قد تتساءل عن مدى الحالات التي يصح فيها تطبيق الطريقة العلمية. مما ورد سابقاً، نستطيع ان نقول ان افضل حالة تعمل فيها الطريقة العلمية هي لما يكون من الممكن عزل الظواهر ذات المصلحة عن طريق حذف او احتساب العوامل الخارجية، وحينما يكون من الممكن اعادة تجربة النظام بعد ان تجرى عليه تغييرات محدودة ومتحكم بها.
هناك بالطبع حالات حينما لايتمكن الفرد من عزل الظواهر او اعادة القياسات مرة بعد اخرى. في مثل هذه الحالات فان النتيجة تتوقف بصورة جزئية على الوضع. غالباً ما يحصل هذا في التفاعلات الاجتماعية بين الناس. على السبيل المثال، حينما يطرح محامي مجموعة من الحجج امام هيئة المحلفين في المحكمة، فالمحامي لايستطيع ان يجرب مقاربات وطرق مغايرة مرة بعد اخرى امام نفس هيئة المحلفين. وفي محاكمة جديدة فان هيئة المحلفين قد تكون مختلفة. وحتى لو كانت نفسها فان هيئة المحلفين قد لاتنسى الحجج السابقة التي قدمها المحامي.
خاتمة
الطريقة العلمية مرتبطة بصورة معقدة بالعلوم. انها عملية الاستعلام البشرية عن المعرفة التي سادت العصر الحديث على عدة مستويات. فبينما تبدو الطريقة سهلة ومنطقية حين وصفها، فانه لايوجد شيء اكثر تعقيداً من السؤال عن كيف توصلنا الى معرفة ما نعرف. في هذه المقدمة، ركزنا على الطريقة العلمية كوسيلة لتمييز العلم من طرق التفسير الاخرى بسبب تركيزها على الطريقة الممنهجة في التجريب. وقد حاولنا ان نشير ايضاً الى بعض المعايير والممارسات التي وضعها العلماء للتقليل من تاثير التحيز الاجتماعي للفرد على الكشوفات العلمية.
