科学的方法（定義・手順）：観察・実験・仮説・検証の基礎

科学的な探究方法を特徴づけるものは、「基準」として知られる質問である。ある概念や理論が、他の種類の知識や信念とは対照的に、科学であるかどうかを見分ける方法はあるのだろうか、という問いに対する答えである。この基準をどのように表現するかについては、これまで多くの考え方がありました。論理実証主義者は、検証可能な理論であれば科学的であると考えた。しかし、カール・ポパーはこれは間違いだと考え、反論の余地がない限り科学的ではないと考えたのです。一方、パウル・ファイヤーアベンドは、「基準などない」と考えていました。彼にとっては、「何でもあり」、つまり、うまくいくものは何でもうまくいくのです。

科学者たちは、現実がそれ自身を語るようにしようとする。理論が予測される場合はそれを支持し、予測が誤っている場合はそれに挑戦する。科学者は、現象を説明するための仮説を立て、その仮説を検証するための実験を計画する。大きな理論は直接的に検証することができないので、理論から導かれる予測を検証することによって行われる。これらのステップは、特定の実験者による誤りや混乱を防ぐために、繰り返し可能でなければならない。

科学的な探求は、一般的に可能な限り客観的であることを意図しています。結果の偏った解釈を減らすために、科学者は研究成果を発表し、データや方法を他の科学者と共有します。

科学と科学でないもの（疑似科学など）は、科学的方法を用いているかどうかで区別されることが多い。科学的方法のステップのアウトラインを最初に作った人の一人がジョン・スチュアート・ミルである。

科学的手法は一つではありません。科学には、物理学や気候科学のように数学的モデルに基づいている分野もある。また、社会科学の多くの分野のように、大まかな理論を持ち、データから浮かび上がるパターンに頼る分野もあります。科学者は仮説を検証し、確認することに重点を置くこともありますが、自由な探求もまた重要なのです。科学分野によっては、実験室で実験をすることもあります。また、実世界の状況を観察することもあります。科学の多くの分野は定量的で、数値データと数学的分析に重点を置いています。しかし、特に社会科学の分野では、インタビューや人間や動物の行動の詳細な観察など、質的な方法を用いるものもあります。一つの手法にこだわりすぎると、他の手法で生み出された知識を無視することになりかねません。

教科書の中には、単一の標準的な "科学的方法 "に焦点を当てたものがあります。この単一の科学的方法という考え方は、実験的、仮説検証的、定量的な分野の科学に大きく基づいています。他の科学分野にはあまり当てはまりません。科学的方法は、多くの場合、いくつかのステップに分かれて書かれています。

1. 世界について質問するすべての科学的な仕事は、問いを持つこと、あるいは解決すべき問題を持つことから始まります。^{I, p9}科学者にとって、正しい問いを思いつくこと自体が最も困難なことである場合もあります。その疑問は、実験によって答えられるものでなければなりません。
2. 仮説-質問に対する一つの可能な答え-を作る。科学における仮説とは、「何かがどのように機能するかについての経験則に基づく推測」を意味する言葉です。正しいか間違っているかを証明できるものでなければなりません。例えば、「青は緑よりも良い色である」というような文章は、科学的な仮説ではありません。正誤を証明することができない。しかし、「緑より青の方が好きな人が多い」というのは、科学的な仮説になり得ます。なぜなら、多くの人に「緑より青の方が好きか」と聞いて、どちらかの答えにたどり着くことができるからです。
3. 実験を計画する。仮説が本当に科学的であれば、それを検証するための実験を計画することが可能であるはずです。実験は、仮説が間違っているかどうかを科学者に教えてくれるものでなければなりませんが、仮説が正しいかどうかは教えてくれないかもしれません。上記の例で言えば、多くの人に好きな色を聞いてみるという実験が考えられます。しかし、実験をするのはとても難しいことです。好きな色ではなく、嫌いな色を聞くことが重要だとしたらどうでしょう。何人に聞けばいいのだろう？予想外の結果になるような質問の仕方はないだろうか？これらはすべて、科学者が実験をする前に聞かなければならない質問です。通常、科学者は一度に一つのことだけを試したいと思っています。そのために、実験のすべての部分を、テストしたいものを除いて、すべて同じにしようとします。
4. 実験を行い、データを収集する。ここでは、科学者は以前に設計した実験を実行しようとします。実験が進むにつれて、科学者が新しいアイデアを得ることもある。時には、実験が最終的にいつ終わるのかが分からないこともあります。時には、実験が非常に困難になることもあります。科学者の中には、人生の大半を費やして、良い実験をする方法を学んでいる人もいます。
5. Why-questions（なぜ、疑問）。説明は Why-questions に対する答えです。^{II, p3}
6. 実験から結論を導き出す。結果が簡単に理解できないこともある。実験そのものが新たな疑問を生むこともある。実験から得られた結果が、いろいろなことを意味することもある。これらすべてについて、慎重に考える必要がある。
7. 他の人に伝える。科学の重要な要素は、実験結果を共有することです。そうすれば、他の科学者もその知識を利用することができ、科学全体が恩恵を受けることができます。通常、科学者は新しい主張があっても、他の科学者がその主張が本当の科学であることを確認しない限り、信用しないものです。これをピアレビューと呼びます（ここでいう「ピア」は「他の科学者」という意味です）。査読に合格した研究は、科学雑誌に掲載されます。

一覧表とはいえ、科学者は納得がいくまで何度も段階を踏んで答えを出すことがあります。

すべての科学者が上記のような「科学的方法」を日々の仕事に使っているわけではありません。実際の科学の仕事が上記のようなものでないこともあるのです。

例えば、コップ一杯の水に砂糖が溶けるときの温度の影響を調べるとします。以下は、科学的方法に従って段階的に行う方法の一つです。

目的

砂糖はお湯と水ではどちらが早く溶けるのでしょうか？温度は砂糖が溶ける速さに影響するのか？これは聞いてみたい質問ですね。

実験の計画

簡単な実験としては、温度の異なる水に砂糖を溶かして、砂糖が溶けるまでの時間を記録しておくというものがある。これは、溶媒の運動エネルギーによって、溶ける速度が変わるという考えを検証することになります。

各試験で使用する水の量と、砂糖の量を全く同じにしたいのです。これは、温度だけで効果が出るかどうかを確認するためです。例えば、砂糖と水の割合も溶解速度に影響する可能性があります。また、念のため、実験中に水温が変化しないように実験を行うこともあります。

これを「変数の分離」という。つまり、影響を与える可能性のある要因のうち、1つだけを実験で変化させるということです。

実験の実施

水の温度以外は全く同じで、3回の試行で実験を行います。

1. 氷のように冷たい1リットルの水に、25グラムの砂糖をきっちりと入れる。かき混ぜることはしません。砂糖がすべて溶けるまで30分かかることがわかります。
2. 室温（20℃）の水1リットルに、砂糖25グラムをきっちり入れる。かき混ぜることはしません。砂糖がすべて溶けるまで 15 分かかります。
3. 1リットルのぬるま湯（50℃）に25グラムの砂糖をきっちり入れる。かき混ぜることはしません。砂糖がすべて溶けるまで 4 分かかります。

結論を出すこと

結果を見やすくするために、実験をするたびに変化したことを一覧にして表にするのも一つの方法です。私たちの場合は、次のような感じでしょうか。

もし、この実験の他のすべての部分が同じであったなら（一方により多くの砂糖を使用しなかった、一方をかき混ぜなかった、など）、これは熱が砂糖の溶解速度に影響を与えるという非常に良い証拠になります。

しかし、何か他のものが影響していないとは断言できません。例えば、同じ鍋に多くの砂糖を溶かすと、砂糖が早く溶けることがあります。これはおそらく事実ではないでしょうが、もし事実であれば、結果はまったく同じになります。3回試行して、最後の1回が最も速くなるのです。現時点では、これが正しいと考える理由はありませんが、別の答えの可能性としてメモしておくといいかもしれません。

再現性の危機（replication crisis）とは、科学における危機のことである。ある科学実験の結果が、後に独立した研究者や元の研究者自身によって再現されることが難しい、あるいは不可能であることが非常に多い。この危機は古くから存在するが、問題意識の高まりから、2010年代初頭にこの言葉が使われるようになった。

実験の再現性は科学的手法の不可欠な要素であり、研究の再現性が確保できないことは重大な結果を招く可能性がある。

再現性の危機は、特に心理学（特に社会心理学）と医学の分野で広く議論されており、古典的な結果を再調査し、その結果の妥当性と、無効な場合は再現性に失敗した理由の両方を決定しようとする多くの努力がなされている。

最近の議論で、この問題がよく知られるようになった。

科学的方法の要素は、初期の自然研究者たちによって作り上げられた。

• "我々は現象をできるだけ単純な仮説で説明することが良い原則であると考える。"プトレマイオス（西暦85-165年）。これは、私たちが「オッカムの剃刀」と呼んでいるものの初期の例である。
• イブン・アル＝ハイタム（アルハーゼン）（965-1039）、ロバート・グロセッテ（1175-1253）、ロジャー・ベーコン（1214-1294）らは、科学的方法の開発に一定の成果を上げた。
• 17世紀の科学者たちは、実験的手法こそが真理を見出す主な方法であるという意見に同意し始めた。西ヨーロッパでは、ガリレオ、ケプラー、フック、ボイル、ハレー、ニュートンといった人物によってこれが行われた。同時に、顕微鏡や望遠鏡が発明され（オランダで）、王立協会が設立されました。機器、学会、出版、これら全てが科学に大きく貢献したのです。

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