科学とは何か：定義・分野（物理・化学・生物など）と科学的方法入門
科学とは何かを分かりやすく解説｜定義から物理・化学・生物など主要分野と科学的方法の基本を入門者向けに丁寧に紹介
科学とは、自然界のことを知るために私たちが行う系統的な活動です。自然科学には、物理学、化学、生物学、地学、天文学などがあります。科学は数学や論理学を用いますが、これらは「形式科学」と呼ばれることもあります。自然科学は観察や実験を行います。科学は、正確な事実、科学的な法則、理論を生み出します。また、「科学」とは、この過程を利用して発見された大量の知識を指すこともあります。
研究は科学的方法を用います。科学的研究は、アイデアや以前の知識に基づいた仮説を使用します。そして、それらの仮説は実験や観察によって検証されます。結果はデータとして記録され、統計的な解析や論理的な評価を通して解釈されます。検証可能性や再現性が重要で、他の研究者が同じ条件で同様の結果を得られることが、知識として受け入れられる一つの基準です。
科学を研究したり調べたりして、科学のすべてを知ろうとする人のことを科学者といいます。科学者は、物事を注意深く見たり、測定したり、実験やテストをしたりして、物事を研究しています。科学者は、物事がなぜそのように動くのかを説明し、何が起こるかを予測しようとします。 また、得られた結果は学会発表や査読付き論文として公開され、同分野の他者による批判的検討（ピアレビュー）を経て知識体系に組み込まれていきます。
科学の主な分野（簡潔な概要）
- 物理学（物理学）：物質とエネルギー、力と運動、時間や空間の性質を扱います。古典力学、電磁気学、量子力学、相対性理論などの理論があります。
- 化学（化学）：物質の構造・性質・反応を研究します。原子・分子レベルでの変化を理解することで、新材料や薬の開発につながります。
- 生物学（生物学）：生命体の構造、機能、進化、相互作用を扱います。分子生物学、遺伝学、生態学など多様な分野に分かれます。
- 地学（地学）：地球の構造・歴史・プロセス（地震、火山、気候変動など）を研究します。地質学、気象学、海洋学などが含まれます。
- 天文学（天文学）：宇宙の天体や現象（惑星、恒星、銀河、宇宙の起源など）を研究します。観測技術と理論の両面があります。
- 数学・論理学（形式科学）：数学や論理学を用い、証明やモデルづくりで他の自然科学を支えます。統計学はデータ解析に不可欠です。
科学的方法の基本的な流れ
- 観察（観察）：現象を注意深く観察し、説明すべき問題や疑問を見つけます。
- 問題定義と先行研究：その分野の既存知識や文献を調べ、何が未解決かを明確にします。
- 仮説の設定（仮説を）：観察や理論に基づいて検証可能な仮説を立て、予測を導きます。
- 実験・観察（実験）：仮説を検証するために計画的な実験や追加の観察を行い、データを収集します。
- 解析と評価：データを統計的、論理的に解析し、仮説が支持されるかどうかを判断します。
- 結論とモデル化（事実・理論への展開）：結果を基に理論やモデルを改良・構築し、予測能力を評価します。
- 公開と再現性の確認：結果を公開し、独立した研究者による再現や追加検証を通じて信頼性を確立します。
科学の成果と応用
科学は新しい知識を生み出すだけでなく、技術革新や医療、環境保全、工業生産など社会のさまざまな分野に応用されます。例えば、基礎研究から得られた物理学や化学の知見は電子機器や材料、エネルギー技術の発展に寄与し、生物学の研究はワクチンや治療法の開発につながります。
科学者の役割と共同作業
科学者はデータを集め、分析し、理論を提案しますが、同時に他者の研究を批判的に検討する役割も担います。現代の科学は高度に専門化かつ国際的であり、異なる分野の知見を結びつける共同研究や学際的なアプローチが重要です。結果の透明性、公正な報告、データの共有は信頼できる科学を支える基盤です。
科学の限界と倫理
科学は非常に有力な方法ですが、万能ではありません。科学的知識は多くの場合「暫定的」で、新しい証拠やより良い理論により更新されます。測定誤差、モデルの近似、観測の限界、統計的有意性の問題などが存在します。また、研究倫理（データ改ざんの禁止、被験者の保護、利益相反の開示など）や研究成果の社会的影響（環境、倫理、経済的不均衡）を考慮することも重要です。近年は再現性の問題やオープンサイエンスの推進が注目されています。
最後に
科学は問いを立て、検証し、説明を積み重ねていく営みです。好奇心と批判的思考、慎重な実験・観察、透明な報告があれば、誰でも科学的な考え方を学び、応用することができます。科学は私たちの世界の理解を深め、よりよい社会や技術を作る力となりますが、その過程と成果を適切に評価し、倫理的に扱うことが求められます。
宇宙のスケールを科学の枝にマッピングした
科学的方法
今日、「科学」とは、通常、知識そのものではなく、知識を追求する方法を指す。それは主に物質世界の現象についてのものである。17世紀から18世紀にかけて、科学者たちは、ニュートンの運動法則のような自然界の法則に基づいて知識を定式化しようとする傾向が強まりました。そして19世紀に入ると、物理学、化学、地質学、生物学などの自然界を研究する方法として、「科学」という言葉が科学的方法そのものと結びつくようになりました。
科学者という言葉がウィリアム・ウィーウェルによって作られたのも19世紀のことでした。彼は、自然についての知識を求める人と、他の種類の知識を求める人を区別するためにこの言葉を使ったのです。
科学的方法は、科学者が知識を見つけるために使用される方法に与えられた名前です。科学的方法の主な特徴は以下の通りです。
- 科学者は、自然についての疑問や問題を特定します。ハエの足は何本あるのか」のような単純な問題もあれば、「なぜ物は地面に落ちるのか」のような非常に深い問題もあります。
- 次に、科学者は問題を調査します。彼らは事実を収集しながら作業します時には慎重に見るだけでいいのです
- 直接答えられない質問もあります。そこで科学者はアイデアを提案し、それをテストします。彼らは実験を行い、データを収集します。
- 最終的には、彼らは問題に対する良い答えだと思うものを見つけ出します。そして、それを人々に伝えるのです。
- 後になって、他の科学者が同意したり、同意しなかったりするかもしれません。彼らは別の答えを提案するかもしれません。彼らはもっと実験をするかもしれません。科学においては、以前の答えが十分でないことがわかれば、何でも修正されるかもしれません。
一例
科学の活動の有名な例は、1919年にアーサー・エディントンが率いてアフリカのプリンシペ島に遠征したことである。彼は日食中の太陽の周りの星の位置を記録するためにそこに行った。星の位置を観測した結果、太陽に近い見かけの星の位置が変化していることがわかった。事実上、太陽を通過した光は重力によって太陽に向かって引っ張られていたのです。これは、1915年に発表された一般相対性理論の中で、アルバート・アインシュタインが行った重力レンズの予測を確認したものである。エディントンの観測は、アインシュタインの理論を支持する最初の固体の証拠であると考えられていた。もし観測の結果が違っていたら、これはアインシュタインの理論に反論され、おそらく反論されただろう（間違っていたことを示した）。
科学研究の実践的な影響
基礎科学における発見は、世界を変えることができます。例えば
| 研究 | 影響 |
| すべての電化製品、発電機、発電所、電気照明、テレビ、電気暖房、磁気テープ、拡声器に加えて、コンパスと避雷針を含む現代の電子機器。 | |
| 回折 (1665) | 光学系、それ故に光ファイバーケーブル（1840年代）、ケーブルテレビ、インターネット |
| ジャームせつ | |
| 先進国のほとんどの感染症の撲滅と天然痘の世界的な根絶につながる。 | |
| 太陽光発電 (1839) | |
| 電波 (1887) | ラジオはすぐに放送ラジオ（1906年）とテレビ（1927年）エンターテイメントでの使用で知られるようになりました。また、電話、緊急サービス、レーダー（ナビゲーションと天気予報）、医学、天文学、無線通信、ネットワークの分野でも大いに利用されました。ラジオの研究はまた、加熱や調理食品のために、マイクロ波の使用につながった。 |
| 癌治療（1896年）、放射線年代測定（1905年）、原子炉（1942年）と兵器（1945年）、PETスキャン（1961年）、医学研究（同位体標識あり | |
| エックス線 | コンピュータ断層撮影を含む医用画像処理 |
| 半導体デバイス（1906年）、それ故にワイヤレスデバイスとの統合を含む近代的なコンピューティングとテレコミュニケーション：携帯電話 | |
| プラスチック (1907) | ベークライトをはじめ、産業や生活の中で多くの用途に使われている人工ポリマー。 |
| 抗生物質（1880年代、1928年 | サルバルサン、ペニシリン、ドキシサイクリンなど |
| 核磁気共鳴 | 核磁気共鳴分光法（1946年）、磁気共鳴イメージング（1971年）、機能的磁気共鳴イメージング（1990年代）。 |
科学のその他の特徴
科学がどのように機能するかについて、誰もが完全に同意するわけではありません。哲学者や科学者の中には、科学的な理論は当分の間だけ受け入れられると言う人もいます。科学的理論は、それが最良の説明である限り存続する。理論がデータを説明できなくなったら、理論は破棄され、置き換えられます。あるいは、科学者は、理論を捨てるのではなく、理論をより良いものにすることもあれば、最終的には理論がより良いものになることを期待して、その理論を使い続けることもあります。
科学は、真実でないものを捨てることで知識を得るものです。
科学者は、自分たちが観察し、測定したものとよく合う説明をするように細心の注意を払わなければなりません。科学者たちは、より良い説明を提供するために競争します。説明は面白いかもしれませんし、喜ばしいものかもしれませんが、他の科学者が実際に見て測定していることと一致しない場合は、より良い説明を見つけようとします。
科学論文が発表される前に、他の科学者が論文を読んで、その説明がデータから意味のあるものかどうかを判断します。これを査読といいます。論文が発表された後、他の科学者はまた、同じ実験や観察、テストを繰り返しても同じデータが得られるかどうかをチェックします。ピアレビューと実験を繰り返すことは、知識が正しいことを確認する唯一の方法なのです。
科学は自然のモデルを作り、宇宙のモデルを作り、医学を作る。科学には、それぞれの名前がついているものがたくさんあります。しかし、何か一つのことを「科学が言っている」というのは正しくありません。科学はプロセスであって、一度に信じられた事実やルールだけではないのです。
関連ページ
- 科学の歴史
- サイエンスツーリズム
質問と回答
Q:科学とは何ですか?
A:科学とは、観察、実験、研究を通して自然界を発見し理解するプロセスです。また、このプロセスによって明らかにされた膨大な知識を指します。
Q:自然科学にはどのようなものがありますか?
A:自然科学には、化学、生物学、地質学、天文学、物理学が含まれます。
Q:「形式科学」とは何ですか?
A:形式科学とは、科学的研究に用いられる数学や論理学のことである。
Q:科学研究はどのように行われるのですか?
A:科学的研究は、さまざまなテーマに分類される考え方や過去の知識に基づいて、仮説を立てます。そして、その仮説を実験によって検証するのです。
Q:科学を研究しているのは誰ですか?
A:科学に関するあらゆることを調べるために研究する人を科学者と呼びます。
Q:科学者はどのように物事を研究しているのですか?
A:科学者は、物事をよく見て、測定し、実験やテストを行い、物事がなぜそのように行動するのかを説明しようとし、何が起こるかを予測することによって研究しています。
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