تجربه و تفکر — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

تجربه و تفکر (علوم تیزهوشان هفتم)

علوم تجربی فهرست اطلاعات نیست؛ شیوه‌ای برای پیدا کردن پاسخ درست است. وقتی این شیوه را یاد بگیری، دربارهٔ هر پدیده‌ای، از خراب شدن چراغ تا رشد گیاه، می‌توانی پرسش بپرسی، فرضیه بسازی و آن را آزمایش کنی.

روش علمی

استفادهٔ منظم از مشاهده، آزمایش و استدلال قابل‌اعتمادترین راه رسیدن به پاسخ درست است و به آن روش علمی می‌گوییم. کسی را نمی‌توان تنها مخترع آن دانست؛ گالیله، بیکن، دکارت و نیوتن نقش مهمی داشتند، اما این روش حاصل تلاش هزاران دانشمند در طول سال‌هاست. نظریه‌ای که مراحل روش علمی را درست طی نکرده باشد، مورد قبول دانشمندان دیگر نمی‌شود، چون باید نشان داد از چه راهی به نتیجه رسیده‌ایم تا دیگران بتوانند بررسی کنند.

مراحل: ۱) پرسش، ۲) تحقیق و مطالعه، ۳) فرضیه‌سازی (پاسخ پیشنهادی آزمون‌پذیر)، ۴) انجام آزمایش، ۵) بررسی نتایج، ۶) نظریه‌پردازی (در صورت وجود شواهد فراوان و تکرارشدنی). این مراحل همیشه یک‌طرفه نیستند؛ اگر فرضیه رد شود، به مرحلهٔ فرضیه برمی‌گردیم. رد شدن فرضیه شکست نیست؛ اطلاعی ارزشمند است، چون می‌فهمیم چه چیزی علت نیست. فرضیه پاسخ پیشنهادی است که تازه آزمایش می‌شود، اما نظریه توضیح گسترده‌ای است که بارها آزموده شده و شواهد زیادی دارد؛ در علم «نظریه» به معنی «حدس» نیست.

مشاهده و تفسیر

مشاهده چیزی است که با حواس یا ابزار ثبت می‌کنیم و می‌شود دوباره اندازه گرفت؛ تفسیر معنایی است که به مشاهده می‌دهیم و تا آزمایش نشده فقط حدس است. «آب لیوان بعد از دو ساعت کمتر شد» مشاهده است، اما «تبخیر شد چون هوا گرم بود» تفسیر است. «برگ‌های گیاه زرد شده‌اند» مشاهده و «نور کافی نمی‌گیرد» تفسیر است؛ شاید دلیلش آب زیاد باشد. اگر این دو را قاطی کنی، حدس خودت را به‌جای واقعیت گزارش کرده‌ای.

آزمایش ناعادلانهٔ پیرمرد ماهیگیر

پیرمرد دید دوستش شب‌ها بیشتر ماهی می‌گیرد و حدس زد شب‌ها ماهی بیشتری هست. شب به جایی نزدیک چراغ جاده رفت، ماهی زیادی گرفت و نتیجه گرفت «حتماً شب‌ها ماهی بیشتر است.» اشتباه‌ها:

• فقط یک بار آزمایش کرد و ممکن است نتیجه تصادفی باشد.
• هم‌زمان چند چیز را عوض کرد: زمان، محل و نور.
• نتیجه را قطعی گفت، در حالی که یک مشاهده برای «حتماً» کافی نیست.
• عامل‌های دیگر مثل طعمه، وسیله، مهارت و فصل را کنترل نکرد.
• در تفسیر هم ممکن است نور چراغ حشره جمع کرده و ماهی‌ها برای خوردن حشره آمده باشند.

آزمایش علمی قابل‌قبول فرضیهٔ روشن و آزمون‌پذیر دارد، فقط یک عامل را تغییر می‌دهد، چند بار تکرار می‌شود، داده‌ها را دقیق ثبت می‌کند (حتی اگر با انتظار نخواند)، نتیجه را فقط به اندازهٔ شواهد می‌گیرد و دیگران می‌توانند آن را تکرار کنند.

متغیرها

• متغیر مستقل: چیزی که پژوهشگر عمداً تغییر می‌دهد.
• متغیر وابسته: چیزی که اندازه می‌گیرد تا اثر تغییر را ببیند.
• متغیرهای کنترل: هر عاملی که ممکن است نتیجه را عوض کند و باید ثابت بماند.

در فرضیهٔ «هرچه آب بیشتری به گیاه لوبیا بدهیم، رشد آن بیشتر است»، مستقل مقدار آب (مثلاً ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ میلی‌لیتر در روز)، وابسته رشد گیاه (ارتفاع ساقه به سانتی‌متر) و کنترل‌ها گلدان، خاک، نور، دما، رقم بذر و سن گیاه‌اند. اگر یک گلدان در سایه باشد و دیگری کنار پنجره، نمی‌توان فهمید تفاوت رشد از آب است یا نور.

برای ماهیگیر، فرضیهٔ درست می‌تواند «روشن بودن محیط تعداد ماهی صیدشده را کم می‌کند» باشد: مستقل شدت نور، وابسته تعداد ماهی در یک ساعت، و کنترل‌ها طعمه، وسیله، مدت صید، فصل، ساعت و مهارت (یک نفر هر دو محل را امتحان کند) با تکرار در چند شب. اگر در شش شب میانگین ماهی محل تاریک $8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و محل روشن $5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی شود، داده‌ها با فرضیه سازگارند، ولی اثبات قطعی نیست: فقط شش شب و یک رودخانه داریم. ما ارتباط «نور بیشتر، ماهی کمتر» را دیدیم و علت دقیق آن را باید آزمایش‌های بعدی نشان دهد.

فعالیت‌های کتاب

برای مسئله‌هایی مثل بیماری ناشناخته، خودروی روشن‌نشدنی و چراغ خاموش کلاس، چند فرضیه می‌سازیم و یکی‌یکی می‌آزماییم. در خودرو اگر هم‌زمان باتری و شمع را عوض کنیم، نمی‌فهمیم کدام خراب بوده. در چراغ کلاس، فرضیه‌هایی مثل لامپ سوخته، کلید خراب یا قطع برق را با لامپ نو، کلید دیگر و وسیلهٔ برقی دیگر می‌آزماییم. اگر با لامپ نو چراغ روشن نشد، لامپ علت نبوده است. وقتی فرضیهٔ اول رد شد، به مرحلهٔ فرضیه‌سازی برمی‌گردیم.

آزمایش پایان فصل: فرضیه این است که اطلاع قبلی از تازه یا مانده بودن غذا بر مزهٔ احساس‌شده اثر دارد. مستقل: آنچه به فرد می‌گوییم؛ وابسته: امتیاز مزه (۱ تا ۱۰)؛ کنترل: خود غذا که باید دقیقاً یکی باشد. ۲۰ داوطلب را تصادفی دو گروه ۱۰ نفره می‌کنیم؛ به یک گروه می‌گوییم «تازه» و به گروه دیگر «مانده»، در حالی که غذا برای هر دو کاملاً تازه و بی‌خطر است. اگر میانگین‌ها $7.4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $5.4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی شوند، اختلاف $2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی امتیاز از فرضیه پشتیبانی می‌کند، ولی برای اطمینان باید با افراد و غذاهای بیشتر تکرار شود.

همکاری شاخه‌های علم و رشد دانش

اختراعات و اکتشافات مهم امروز حاصل همکاری متخصصان شاخه‌های گوناگون است. شیر بسته‌بندی‌شده به زیست‌شناسی، شیمی، فیزیک و مهندسی بسته‌بندی نیاز دارد؛ دستگاه پرتونگاری به فیزیک، الکترونیک، رایانه و پزشکی؛ تلفن همراه به فیزیک، الکترونیک، نرم‌افزار، شیمی (باتری) و ریاضی.

بنا بر تخمین کتاب، مقدار دانش تا ابتدای قرن بیستم هر ۱۰۰ سال یک بار دو برابر می‌شد؛ این مدت تا پایان جنگ جهانی دوم به ۲۵ سال و اکنون به حدود ۱۳ ماه رسیده است. اینها تخمین‌اند، نه قانون ثابت. «دوبرابر شدن» رشد ضربی است: اگر هر ۲۵ سال دو برابر شود، در ۱۰۰ سال $2^4=16$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر می‌شود. اگر هر ۱۲ ساعت دو برابر شود، در یک هفته $2^{14}=16384$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر می‌شود. اینترنت دسترسی و ارتباط سریع و تکرار و بررسی را آسان می‌کند، اما زیاد بودن اطلاعات به معنی درست بودن آن نیست.

نکته‌های محاسبه و خودآزمایی

اگر دانش هر ۱۳ ماه دو برابر شود، در ۵ سال یعنی ۶۰ ماه حدود $\frac{60}{13}\approx 4.6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بار دو برابر می‌شود؛ چون $2^4=16$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $2^5=32$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، پاسخ بین ۱۶ و ۳۲ و تقریباً ۲۴ برابر است. اگر هر ۵۰ سال دو برابر شود، در ۲۰۰ سال $\frac{200}{50}=4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بار دو برابر می‌شود و $2^4=16$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر خواهد بود. در آزمایش گیاه، اگر میانگین ارتفاع با ۱۰۰ میلی‌لیتر آب ۲۰ و با ۲۰۰ میلی‌لیتر ۲۸ سانتی‌متر شود، اختلاف $28-20=8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سانتی‌متر است؛ می‌توان گفت در این آزمایش گیاه‌های با آب بیشتر بلندتر شدند، اما نمی‌توان «هرچه آب بیشتر، رشد بیشتر» را همیشگی دانست، چون آب بسیار زیاد ریشه را خفه می‌کند. فرضیهٔ «طبیعت زیباست» خوب نیست، زیرا آزمون‌پذیر و اندازه‌پذیر نیست. تکرارپذیری ابزار کنترل کیفیت علم است، چون اگر دیگران همان نتیجه را نگیرند، نتیجه شاید تصادفی یا ناشی از خطا باشد. سه پرسش برای هر مسئله: چه چیزی را مشاهده کرده‌ام؟ چه چیزی را فقط حدس زده‌ام؟ چه عامل‌هایی را باید ثابت نگه دارم؟

در مثال دانش، «دوبرابر شدن» رشد ضربی است، نه جمع‌شونده؛ در رشد جمع‌شونده هر بار فقط مقدار ثابتی اضافه می‌شود. پس مقایسهٔ ۱۶ برابر در ۱۰۰ سال با ۱۶۳۸۴ برابر در یک هفته نشان می‌دهد چرا امروز باید مداوم یاد بگیریم.

اشتباه‌های رایج