المنهج العلمي

شاع استخدام مصطلح "المنهج العلمي" في القرن العشرين؛ إذ ألهم كتاب ديوي الصادر عام 1910 بعنوان " كيف نفكر " مبادئ توجيهية شائعة . ^{[ 35 ]} وقد ظهر المصطلح في القواميس وكتب العلوم المدرسية، على الرغم من قلة الإجماع على معناه. ^{[ 33 ]} وعلى الرغم من نمو استخدامه خلال منتصف القرن العشرين، ^{[ و ]} بحلول الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين، شكك العديد من فلاسفة العلوم المؤثرين، مثل توماس كون وبول فيرابند، في عالمية "المنهج العلمي"، واستبدلوا إلى حد كبير فكرة العلم كمنهج متجانس وعالمي بفكرة أنه ممارسة غير متجانسة ومحلية. ^{[ 33 ]} وعلى وجه الخصوص،جادل بول فييرابند، في الطبعة الأولى من كتابه " ضد المنهج" عام 1975 ، ضد وجود أي قواعد عالمية للعلم ؛ ^{[ 34 ]} كارل بوبر ، ^{[ γ ]} وغوتش 2003، ^{[ 6 ]} اختلفوا مع ادعاء فييرابند.

تشمل المواقف اللاحقة مقال الفيزيائي لي سمولين عام 2013 بعنوان "لا وجود للمنهج العلمي"، ^{[ 37 ]} حيث يتبنى مبدأين أخلاقيين ، ^{[ δ ]} وفصل مؤرخ العلوم دانيال ثورس في كتابه " تفاحة نيوتن وخرافات أخرى عن العلم" الصادر عام 2015 ، والذي خلص إلى أن المنهج العلمي خرافة، أو في أحسن الأحوال، مثالية. ^{[ 38 ]} وبما أن الخرافات معتقدات، ^{[ 39 ]} فهي عرضة لمغالطة السرد ، كما أشار طالب. ^{[ 40 ]} وقال الفيلسوفان روبرت نولا وهوارد سانكي، في كتابهما " نظريات المنهج العلمي" الصادر عام 2007 ، إن النقاشات حول المنهج العلمي لا تزال مستمرة، وجادلا بأن فيرابند، على الرغم من عنوان كتابه " ضد المنهج" ، قد قبل قواعد معينة للمنهج وحاول تبرير تلك القواعد بمنهجية شاملة. ^{[ 41 ]} يرى ستادون (2017) أن محاولة اتباع القواعد في غياب منهج علمي خوارزمي خطأ؛ ففي هذه الحالة، "يُفهم العلم على أفضل وجه من خلال الأمثلة". ^{[ 42 ] [ 43 ]} لكن الأساليب الخوارزمية، مثل دحض النظرية القائمة بالتجربة، استُخدمت منذ عهد الحسن بن عبد العزيز (1027) وكتابه "المناظر" ، ^{[ أ ]} وجاليليو (1638) وكتابه "علمان جديدان" ، ^{[ 28 ]} وكتاب "المقايسة" ، ^{[ 44 ]} والتي لا تزال تُعتبر منهجًا علميًا.

المنهج العلمي هو العملية التي يُجرى من خلالها البحث العلمي . ^{[ 45 ]} وكما هو الحال في مجالات البحث الأخرى، يمكن للعلم (من خلال المنهج العلمي) أن يبني على المعرفة السابقة، وأن يوحد فهم المواضيع المدروسة عبر الزمن. ^{[ g ]} تاريخيًا، كان تطوير المنهج العلمي أمرًا بالغ الأهمية للثورة العلمية . ^{[ 47 ]}

تتضمن العملية برمتها وضع فرضيات ، والتنبؤ بنتائجها المنطقية، ثم إجراء تجارب بناءً على تلك التنبؤات لتحديد صحة الفرضية الأصلية. ^{[ 4 ]} ومع ذلك، ثمة صعوبات في صياغة المنهج بشكل نمطي. فالمنهج العلمي يمثل مبادئ عامة لا تسلسلًا ثابتًا، ولا تحدث جميع الخطوات في كل بحث، ولا دائمًا بنفس الترتيب. وهو يتطلب ذكاءً وخيالًا وإبداعًا بدلًا من التقيد الصارم بالإجراءات. ^{[ 48 ]}

يتم توضيح العناصر الأساسية للمنهج العلمي من خلال المثال التالي (الذي حدث في الفترة من 1944 إلى 1953) من اكتشاف بنية الحمض النووي (المميز والمسنن).

في عام ١٩٥٠، كان معروفًا أن للوراثة الجينية وصفًا رياضيًا، بدءًا من دراسات غريغور مندل ، وأن الحمض النووي (DNA) يحتوي على معلومات وراثية ( مبدأ التحويل لأوزوالد أفيري ). ^{[ ٥٧ ]} لكن آلية تخزين المعلومات الوراثية (أي الجينات) في الحمض النووي كانت غير واضحة. قام باحثون في مختبر براغ بجامعة كامبريدج بتصوير جزيئات مختلفة باستخدام حيود الأشعة السينية ، بدءًا من بلورات الملح ، وصولًا إلى مواد أكثر تعقيدًا. وباستخدام أدلة جُمعت بعناية على مدى عقود، بدءًا من تركيبه الكيميائي، تبيّن أنه من الممكن تحديد البنية الفيزيائية للحمض النووي، وأن صور الأشعة السينية ستكون الوسيلة لذلك ^. [ ^{٥٨ ]}

تعتمد المنهجية العلمية على توصيفات متطورة باستمرار لمواضيع البحث. ( يمكن أيضًا تسمية هذه المواضيع بالمشكلات غير المحلولة أو المجاهيل ). ^{[ ج ]} على سبيل المثال، افترض بنجامين فرانكلين ، بشكل صحيح، أن نار سانت إلمو كانت كهربائية بطبيعتها ، ولكن الأمر استغرق سلسلة طويلة من التجارب والتغييرات النظرية لإثبات ذلك. أثناء البحث عن الخصائص ذات الصلة بالمواضيع، قد يستلزم التفكير المتأني أيضًا بعض التعريفات والملاحظات ؛ غالبًا ما تتطلب هذه الملاحظات قياسات دقيقة و/أو عدًّا دقيقًا، وهو ما قد يتخذ شكل بحث تجريبي موسع .

قد يشير السؤال العلمي إلى تفسير ملاحظة ^محددة ، كما في "لماذا السماء زرقاء؟"، ولكنه قد يكون أيضًا سؤالًا مفتوحًا، كما في "كيف يمكنني ^{تصميم دواء} لعلاج هذا المرض تحديدًا؟". غالبًا ما تتضمن هذه المرحلة البحث عن أدلة وتقييمها من تجارب سابقة، أو ملاحظات علمية شخصية، أو ادعاءات، بالإضافة إلى أعمال علماء آخرين. إذا كانت الإجابة معروفة مسبقًا، فيمكن طرح سؤال مختلف يستند إلى تلك الأدلة. عند تطبيق المنهج العلمي في البحث، قد يكون تحديد سؤال جيد أمرًا بالغ الصعوبة، وسيؤثر ذلك على نتائج البحث. ^{[ 59 ]}

غالباً ما يكون الجمع المنهجي والدقيق للقياسات أو إحصاءات الكميات ذات الصلة هو الفرق الجوهري بين العلوم الزائفة ، كالكيمياء القديمة، والعلوم الحقيقية، كالكيمياء أو الأحياء. تُجدول القياسات العلمية عادةً، أو تُرسم بيانيًا، أو تُوضع على خرائط، وتُجرى عليها عمليات إحصائية، كالارتباط والانحدار . قد تُجرى هذه القياسات في بيئة مضبوطة، كالمختبر، أو على أجسام يصعب الوصول إليها أو التعامل معها، كالنجوم أو التجمعات البشرية. غالباً ما تتطلب هذه القياسات أدوات علمية متخصصة ، كمقاييس الحرارة، والمطيافات ، ومسرعات الجسيمات ، والفولتميترات ، ويرتبط تقدم أي مجال علمي ارتباطاً وثيقاً باختراع هذه الأدوات وتطويرها.

أنا لست معتاداً على قول أي شيء بيقين بعد ملاحظة أو اثنتين فقط.

اقترح لينوس باولينغ أن الحمض النووي قد يكون حلزونًا ثلاثيًا . ^{[ 62 ] [ 63 ]} وقد نظر فرانسيس كريك وجيمس د. واتسون في هذه الفرضية أيضًا ، لكنهما رفضاها. عندما علم واتسون وكريك بفرضية باولينغ، أدركا من البيانات المتوفرة أن باولينغ كان مخطئًا. ^{[ 64 ]} وأن باولينغ سيعترف قريبًا بصعوباته مع هذا التركيب.

الفرضية هي تفسير مقترح لظاهرة ما، أو بديلًا لذلك، اقتراح منطقي يشير إلى وجود علاقة محتملة بين مجموعة من الظواهر. عادةً ما تتخذ الفرضيات شكل نموذج رياضي . أحيانًا، وليس دائمًا، يمكن صياغتها كعبارات وجودية ، تنص على أن حالة معينة من الظاهرة قيد الدراسة لها خصائص وتفسيرات سببية، والتي تتخذ الشكل العام للعبارات الكلية ، حيث تنص على أن لكل حالة من حالات الظاهرة سمة معينة.

للعلماء الحرية في استخدام أي موارد لديهم - إبداعهم الخاص، والأفكار من مجالات أخرى، والاستدلال الاستقرائي ، والاستدلال البايزي ، وما إلى ذلك - لتخيل تفسيرات محتملة لظاهرة قيد الدراسة.لاحظ ألبرت أينشتاين ذات مرة أنه "لا يوجد رابط منطقي بين الظواهر ومبادئها النظرية". ^{[ 65 ] [ i ]} ووصف تشارلز ساندرز بيرس ، مستلهمًا من أرسطو ( التحليلات الأولى ، 2.25 ) ^{[ 67 ]} المراحل الأولية للبحث ، التي يحفزها "شعور الشك" للتوصل إلى تخمين معقول، بأنها استدلال استنباطي . ^{[ 68 ] : الجزء الثاني، ص 290.} يزخر تاريخ العلم بقصص علماء يدّعون أنهم تلقوا "ومضة إلهام"، أو حدسًا، دفعهم للبحث عن أدلة تدعم فكرتهم أو تدحضها. وقد جعل مايكل بولاني هذا الإبداع محورًا أساسيًا في مناقشته للمنهجية.

يلاحظ ويليام جلين أن ^{[ 69 ]}

إن نجاح الفرضية، أو خدمتها للعلم، لا يكمن ببساطة في "حقيقتها" المتصورة، أو قدرتها على إزاحة أو استيعاب أو تقليل فكرة سابقة، ولكن ربما يكمن أكثر في قدرتها على تحفيز البحث الذي من شأنه أن يسلط الضوء على  ... الافتراضات المجردة ومجالات الغموض.

بشكل عام، يميل العلماء إلى البحث عن النظريات " الأنيقة " أو " الجميلة ". غالبًا ما يستخدم العلماء هذه المصطلحات للإشارة إلى نظرية تتوافق مع الحقائق المعروفة، ولكنها مع ذلك بسيطة نسبيًا وسهلة الفهم. يُعدّ مبدأ أوكام بمثابة قاعدة عامة لاختيار الفرضية الأنسب من بين مجموعة من الفرضيات المتساوية في التفسير.

لتقليل التحيز التأكيدي الناتج عن تبني فرضية واحدة، يؤكد الاستدلال القوي على ضرورة النظر في فرضيات بديلة متعددة، ^{[ 70 ]} وتجنب العوامل المؤثرة. ^{[ 71 ]}

افترض جيمس د. واتسون وفرانسيس كريك وآخرون أن الحمض النووي (DNA) له بنية حلزونية. وهذا يعني أن نمط حيود الأشعة السينية للحمض النووي سيكون على شكل حرف "X". ^{[ 72 ] [ 73 ]} وقد استند هذا التوقع إلى أعمال كوكران وكريك وفاند ^{[ 74 ]} (وبشكل مستقل من قبل ستوكس). وقدمت نظرية كوكران-كريك-فاند-ستوكس تفسيرًا رياضيًا للملاحظة التجريبية القائلة بأن الحيود من البنى الحلزونية ينتج أنماطًا على شكل حرف "X". وفي ورقتهم البحثية الأولى، أشار واتسون وكريك أيضًا إلى أن بنية الحلزون المزدوج التي اقترحاها توفر آلية بسيطة لتضاعف الحمض النووي ، وكتبا: "لم يغب عن بالنا أن الاقتران المحدد الذي افترضناه يشير مباشرة إلى آلية نسخ محتملة للمادة الوراثية". ^{[ 75 ]}

أي فرضية مفيدة ستُمكّن من التنبؤ ، من خلال الاستدلال ، بما في ذلك الاستدلال الاستنتاجي . ^{[ j ]} قد تتنبأ بنتيجة تجربة في بيئة مختبرية أو بملاحظة ظاهرة في الطبيعة. كما يمكن أن يكون التنبؤ إحصائيًا ويتعامل فقط مع الاحتمالات.

من الضروري أن تكون نتيجة اختبار مثل هذا التوقع غير معروفة حاليًا. في هذه الحالة فقط، تزيد النتيجة الناجحة من احتمالية صحة الفرضية. أما إذا كانت النتيجة معروفة مسبقًا، فتُسمى نتيجةً، وكان ينبغي أخذها في الاعتبار عند صياغة الفرضية .

إذا لم يكن بالإمكان التحقق من التنبؤات بالملاحظة أو التجربة، فإن الفرضية لا تزال غير قابلة للاختبار ، وبالتالي ستظل غير علمية بالمعنى الدقيق للكلمة. قد تُتيح تقنية أو نظرية جديدة إجراء التجارب اللازمة. على سبيل المثال، في حين أن فرضية وجود أنواع ذكية أخرى قد تكون مقنعة بتكهنات علمية، إلا أنه لا توجد تجربة معروفة لاختبار هذه الفرضية. لذلك، لا يُمكن للعلم نفسه أن يُقدم الكثير بشأن هذه الإمكانية. في المستقبل، قد تُتيح تقنية جديدة إجراء اختبار تجريبي، وعندها ستُصبح هذه التكهنات جزءًا من العلم المُعتمد.

على سبيل المثال، تقدم نظرية النسبية العامة لأينشتاين عدة تنبؤات محددة حول البنية المرئية للزمكان ، مثل انحناء الضوء في مجال الجاذبية ، وأن مقدار الانحناء يعتمد بدقة على قوة مجال الجاذبية هذا. وقد دعمت ملاحظات آرثر إيدنغتون التي أجراها خلال كسوف الشمس عام 1919 نظرية النسبية العامة بدلاً من قانون نيوتن للجاذبية . ^{[ 76 ]}

عرض واتسون وكريك اقتراحًا أوليًا (وغير صحيح) لبنية الحمض النووي على فريق من كلية كينجز بلندن ، ضمّ روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز وريموند جوسلينج . لاحظت فرانكلين على الفور العيوب المتعلقة بمحتوى الماء. لاحقًا، اطلع واتسون على صورة فرانكلين رقم 51 ، وهي صورة تفصيلية لحيود الأشعة السينية، والتي أظهرت شكلًا يشبه حرف X ^{[ 77 ] [ 78 ]} ، وتمكن من تأكيد أن البنية حلزونية. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ k ]}

بمجرد وضع التوقعات، يمكن التحقق منها من خلال التجارب. إذا تعارضت نتائج الاختبار مع التوقعات، فإن الفرضيات التي استندت إليها تُصبح موضع شك، وتفقد مصداقيتها. أحيانًا تُجرى التجارب بشكل خاطئ أو لا تُصمم جيدًا مقارنةً بتجربة حاسمة . إذا أكدت نتائج التجربة التوقعات، تُعتبر الفرضيات أكثر ترجيحًا للصحّة، ولكنها قد تظل خاطئة وتخضع لمزيد من الاختبارات. تُعدّ الضبط التجريبي أسلوبًا للتعامل مع خطأ الملاحظة. يستخدم هذا الأسلوب التباين بين عينات متعددة، أو ملاحظات، أو مجموعات، في ظل ظروف مختلفة، لمعرفة ما يتغير وما يبقى ثابتًا. نُغيّر ظروف عمليات القياس للمساعدة في تحديد ما تغيّر. يمكن أن تساعدنا قواعد ميل بعد ذلك في تحديد العامل المهم. ^{[ 84 ]} يُعدّ تحليل العوامل أحد أساليب اكتشاف العامل المهم في التأثير.

تختلف أشكال التجارب تبعاً للتوقعات. فقد تكون تجربة كلاسيكية في بيئة مختبرية، أو دراسة مزدوجة التعمية ، أو حتى تنقيباً أثرياً . حتى السفر جواً من نيويورك إلى باريس يُعد تجربة لاختبار الفرضيات الديناميكية الهوائية المستخدمة في تصميم الطائرة.

وبذلك، تُختزل هذه المؤسسات وظيفة البحث إلى مجرد معادلة تكلفة/فائدة، ^{[ 85 ]} تُعبّر عنها بالمال، ووقت وجهد الباحثين المُستثمر، ^{[ 85 ]} مقابل تقرير يُقدّم إلى الجهات المعنية. ^{[ 86 ]} وتتطلب الأجهزة الكبيرة الحالية، مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) التابع لسيرن، ^{[ 87 ]} أو ليغو ، ^{[ 88 ]} أو المرفق الوطني للإشعال (NIF)، ^{[ 89 ]} أو محطة الفضاء الدولية (ISS)، ^{[ 90 ]} أو تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، ^{[ 91 ] [ 92 ]} تكاليف متوقعة بمليارات الدولارات، وفترات زمنية تمتد لعقود. وتؤثر هذه المؤسسات على السياسة العامة، على الصعيدين الوطني والدولي، وسيحتاج الباحثون إلى إمكانية الوصول المشترك إلى هذه الأجهزة وبنيتها التحتية الملحقة . ^{[ ε ] [ 93 ]}

يفترض العلماء أن القائمين على التجارب يتسمون بالشفافية والمساءلة. ويُعدّ التوثيق الدقيق للنتائج أمرًا بالغ الأهمية، إذ يُساعد في تسجيلها والإبلاغ عنها، ويدعم فعالية الإجراءات ونزاهتها. كما يُسهم هذا التوثيق في إعادة إنتاج النتائج التجريبية، على الأرجح من قِبل باحثين آخرين. ويمكن ملاحظة آثار هذا النهج في أعمال هيبارخوس (190-120 قبل الميلاد ⁾ عند تحديد قيمة ترنح الأرض، بينما تظهر التجارب المضبوطة في أعمال البتاني (853-929 ميلادي) ^{[ 94 ]} والهيثم (965-1039 ميلادي). ^{[ 95 ] [ ل ] [ ب} ]

ثم قام واتسون وكريك بوضع نموذجهما، مستخدمين هذه المعلومات بالإضافة إلى المعلومات المعروفة سابقًا حول تركيب الحمض النووي، وخاصة قواعد تشارجاف لتزاوج القواعد. ^{[ 83 ]} بعد تجارب عديدة غير مثمرة، وتثبيط رئيسهما لهما عن الاستمرار، والعديد من البدايات الخاطئة، ^{[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]} تمكن واتسون وكريك من استنتاج البنية الأساسية للحمض النووي من خلال نمذجة ملموسة للأشكال الفيزيائية للنيوكليوتيدات التي يتكون منها. ^{[ 83 ] [ 100 ] [ 101 ]} وقد استرشدا بأطوال الروابط التي استنتجها لينوس باولينج وصور حيود الأشعة السينية لروزاليند فرانكلين .

المنهج العلمي منهج تكراري. ففي أي مرحلة، يُمكن تحسين دقته ووضوحه ، ما يدفع العالم إلى إعادة جزء سابق من العملية. وقد يدفع عدم التوصل إلى فرضية مثيرة للاهتمام العالم إلى إعادة تعريف الموضوع قيد الدراسة. كما قد يدفع عدم إنتاج الفرضية لتوقعات مثيرة للاهتمام وقابلة للاختبار إلى إعادة النظر في الفرضية أو في تعريف الموضوع. وقد يدفع عدم إنتاج التجربة لنتائج مثيرة للاهتمام العالم إلى إعادة النظر في المنهج التجريبي، أو الفرضية، أو تعريف الموضوع.

قد يمتد هذا النوع من التكرار لعقود، بل وأحيانًا لقرون. ويمكن البناء على الأبحاث المنشورة . على سبيل المثال: بحلول عام 1027، استطاع ابن الهيثم ، استنادًا إلى قياساته لانكسار الضوء ، أن يستنتج أن الفضاء الخارجي أقل كثافة من الهواء ، أي: "جسم السماء أقل كثافة من جسم الهواء". ^{[ 14 ]} وفي عام 1079، استطاع ابن معاذ في رسالته عن الشفق أن يستنتج أن سمك الغلاف الجوي للأرض يبلغ 50 ميلًا، استنادًا إلى انكسار أشعة الشمس في الغلاف الجوي. ^{[ م ]}

لهذا السبب، غالباً ما يُصوَّر المنهج العلمي على أنه دائري - فالمعلومات الجديدة تؤدي إلى توصيفات جديدة، وتستمر دورة العلم. ويمكن أرشفة القياسات التي يتم جمعها ، ونقلها إلى الأجيال القادمة، واستخدامها من قبل الآخرين.قد يبدأ علماء آخرون أبحاثهم الخاصة وينضمون إلى العملية في أي مرحلة. قد يتبنون التوصيف ويصيغون فرضيتهم الخاصة، أو قد يتبنون الفرضية ويستنتجون تنبؤاتهم الخاصة. غالبًا لا يُجري التجربة الشخص الذي وضع التنبؤ، ويستند التوصيف إلى تجارب أجراها شخص آخر. كما يمكن أن تُستخدم نتائج التجارب المنشورة كفرضية تتنبأ بإمكانية تكرارها.

العلم مشروع اجتماعي، وعادةً ما يحظى العمل العلمي بالقبول من قبل المجتمع العلمي عند تأكيده. ومن الأهمية بمكان أن يقوم باحثون آخرون داخل المجتمع العلمي بإعادة إنتاج النتائج التجريبية والنظرية. وقد ضحى باحثون بحياتهم من أجل هذه الرؤية؛ فقد قُتل جورج فيلهلم ريشمان بصاعقة (1753) أثناء محاولته تكرار تجربة بنجامين فرانكلين في تحليق الطائرات الورقية عام 1752. ^{[ 103 ]}

إذا تعذّر تكرار تجربة ما للحصول على النتائج نفسها، فهذا يشير إلى احتمال وجود خطأ في النتائج الأصلية. ونتيجةً لذلك، من الشائع إجراء التجربة الواحدة عدة مرات، لا سيما عند وجود متغيرات غير مضبوطة أو مؤشرات أخرى على وجود خطأ تجريبي . وفي حالة النتائج المهمة أو المفاجئة، قد يحاول علماء آخرون تكرار النتائج بأنفسهم، خاصةً إذا كانت هذه النتائج مهمة لأبحاثهم. ^{[ 104 ]} وقد أصبح التكرار قضيةً خلافية في العلوم الاجتماعية والطبية الحيوية، حيث تُعطى العلاجات لمجموعات من الأفراد. عادةً ما تتلقى المجموعة التجريبية العلاج، مثل دواء، بينما تتلقى المجموعة الضابطة دواءً وهميًا. وقد أشار جون إيوانيديس في عام 2005 إلى أن الطريقة المستخدمة أدت إلى العديد من النتائج التي لا يمكن تكرارها. ^{[ 105 ]}

تُقيّم مراجعة الأقران - وهي تقييم مجهول من قبل خبراء للأبحاث - سلامة التجربة بدلاً من التصديق على صحتها. تطلب بعض المجلات من الباحث تقديم قوائم بأسماء مراجعين محتملين، خاصةً ^{إذا كان المجال شديد التخصص. يراجع المتخصصون المنهجية والتصميم؛ وإذا تمت الموافقة (وقد يتطلب ذلك أحيانًا إجراء تجارب إضافية ) ، فإن} مكانة المجلة التي يُنشر فيها العمل تُشير إلى الجودة المُتصوَّرة.

يحرص العلماء عادةً على تسجيل بياناتهم بدقة، وهو شرطٌ شجعه لودويك فليك (1896-1961) وآخرون. ^{[ 106 ]} ورغم أن ذلك ليس إلزاميًا في العادة، فقد يُطلب منهم تزويد علماء آخرين بهذه البيانات إذا رغبوا في تكرار نتائجهم الأصلية (أو أجزاء منها)، ويشمل ذلك مشاركة أي عينات تجريبية قد يصعب الحصول عليها. ^{[ 107 ]} وللحماية من الممارسات العلمية الخاطئة والبيانات المزيفة، تتبنى وكالات التمويل البحثي الحكومية، مثل المؤسسة الوطنية للعلوم ، والمجلات العلمية، بما فيها Nature و Science ، سياسةً تلزم الباحثين بأرشفة بياناتهم ومنهجياتهم ليتمكن باحثون آخرون من اختبارها والبناء على الأبحاث السابقة. ويمكن أرشفة البيانات العلمية في العديد من الأرشيفات الوطنية في الولايات المتحدة أو في مركز البيانات العالمي .

تتمثل المبادئ غير المقيدة للعلم في السعي نحو الدقة والالتزام بمبدأ النزاهة؛ أما الانفتاح فهو مسألة نسبية. ويُقيّد الانفتاح بالصرامة العامة للشك. وبالطبع، هناك مسألة اللاعلم.

في عام ٢٠١٣، تبنى سمولين مبادئ أخلاقية بدلاً من تقديم أي تعريف قد يكون محدوداً لقواعد البحث. ^{[ δ ]} تأتي أفكاره في سياق اتساع نطاق العلوم القائمة على البيانات والمشاريع الضخمة ، والتي شهدت تزايداً في أهمية النزاهة، وبالتالي إمكانية تكرار النتائج . ويرى أن العلم جهدٌ جماعيٌّ يقوم به الحاصلون على الاعتماد والعاملون ضمن المجتمع العلمي . كما يحذر من الإفراط في التبسيط المفرط.

سبق أن ذهب بوبر إلى أبعد من ذلك في تطبيق المبادئ الأخلاقية، حتى أنه لم يُعطِ قيمةً للنظريات إلا إذا كانت قابلةً للتفنيد. استخدم بوبر معيار قابلية التفنيد للتمييز بين النظرية العلمية ونظريةٍ كالتنجيم: فكلتاهما "تُفسِّر" الملاحظات، لكن النظرية العلمية تنطوي على مخاطرة تقديم تنبؤاتٍ تُحدِّد ما إذا كانت صحيحةً أم خاطئة: ^{[ 108 ] [ 109 ]}

"أولئك الذين لا يرغبون في تعريض أفكارهم لخطر الدحض لا يشاركون في لعبة العلم."

للعلم حدود. وتُعتبر هذه الحدود عادةً إجاباتٍ لأسئلةٍ خارجةٍ عن نطاق العلم، كالإيمان. وللعلم حدودٌ أخرى أيضًا، إذ يسعى إلى تقديم عباراتٍ صحيحةٍ عن الواقع. ^{[ 110 ]} أما طبيعة الحقيقة ومناقشة كيفية ارتباط العبارات العلمية بالواقع، فمن الأنسب تركها للمقال الخاص بفلسفة العلم هنا. وتظهر القيود الموضوعية بشكلٍ مباشرٍ في ملاحظة الواقع.

من القيود الطبيعية للبحث العلمي عدم وجود ملاحظة خالصة، إذ تتطلب النظرية تفسير البيانات التجريبية، وبالتالي تتأثر الملاحظة بالإطار المفاهيمي للمُلاحِظ. ^{[ 112 ]} ولأن العلم مشروع غير مكتمل، فإن هذا يؤدي إلى صعوبات، أبرزها استخلاص استنتاجات خاطئة بسبب محدودية المعلومات.

من الأمثلة على ذلك تجارب كيبلر وبراهي، التي استخدمها هانسون لتوضيح المفهوم. فعلى الرغم من رصدهما نفس شروق الشمس، توصل العالمان إلى استنتاجات مختلفة، ويعود ذلك إلى اختلاف وجهات نظرهما. استخدم يوهانس كيبلر طريقة تيكو براهي في الرصد، والتي تقوم على إسقاط صورة الشمس على ورقة من خلال فتحة صغيرة، بدلاً من النظر إليها مباشرة. وقد اختلف مع براهي في استنتاجه باستحالة حدوث كسوف كلي للشمس، لأنه، على عكس براهي، كان يعلم بوجود روايات تاريخية عن حدوث كسوف كلي. وبدلاً من ذلك، استنتج أن الصور الملتقطة ستصبح أكثر دقة كلما كبرت الفتحة، وهذه الحقيقة أساسية الآن في تصميم الأنظمة البصرية. ^{[ د ]} ومن الأمثلة التاريخية الأخرى اكتشاف كوكب نبتون ، الذي يُعزى اكتشافه إلى الرياضيات، لأن المراقبين السابقين لم يكونوا على دراية بما يرصدونه. ^{[ 113 ]}

يمكن وصف المسعى العلمي بأنه البحث عن حقائق حول العالم الطبيعي أو إزالة الشكوك حوله. يتمثل الأول في بناء تفسيرات مباشرة من البيانات التجريبية والمنطق، بينما يتمثل الثاني في تقليص التفسيرات المحتملة. ^{[ ζ ]} وقد سبق توضيح كيف أن تفسير البيانات التجريبية محفوف بالنظريات، لذا فإن كلا النهجين ليس بالأمر الهين.

يُعدّ المذهب التجريبي عنصرًا أساسيًا في المنهج العلمي ، إذ يرى أن المعرفة تُبنى من خلال عملية تتضمن الملاحظة؛ فالنظريات العلمية تُعمّم الملاحظات. وهذا يُعارض الأشكال الصارمة للعقلانية ، التي ترى أن المعرفة من صنع العقل البشري؛ وقد أوضح بوبر لاحقًا أنها مبنية على نظرية سابقة. ^{[ 115 ]} يُجسّد المنهج العلمي الموقف القائل بأن العقل وحده لا يستطيع حلّ مشكلة علمية مُحدّدة؛ فهو يُفنّد بشكل قاطع الادعاءات بأن الوحي ، أو العقائد السياسية أو الدينية ، أو الاستناد إلى التقاليد، أو المعتقدات الشائعة، أو الحس السليم، أو النظريات السائدة حاليًا، تُمثّل الوسائل الوحيدة الممكنة لإثبات الحقيقة. ^{[ 16 ] [ 82 ]}

في عام ١٨٧٧، ^{[ ٥١ ]} وصف سي. إس. بيرس البحث العلمي عمومًا بأنه ليس سعيًا وراء الحقيقة بحد ذاتها ، بل هو كفاحٌ للتخلص من الشكوك المُزعجة والمُثبِّطة الناجمة عن المفاجآت والخلافات وما شابه، والوصول إلى قناعة راسخة، وهي القناعة التي يكون المرء مستعدًا للعمل بناءً عليها. وقد صاغت آراؤه البراغماتية البحث العلمي كجزء من طيف أوسع، وباعتباره مدفوعًا، كالبحث العلمي عمومًا، بالشك الحقيقي، لا مجرد شك لفظي أو "مبالغ فيه"، الذي اعتبره بيرس غير مُجدٍ. ^{[ o ]} وهذا "الشك المبالغ فيه" الذي يُعارضه بيرس هنا ليس إلا اسمًا آخر للشك الديكارتي المرتبط برينيه ديكارت . إنه مسار منهجي للمعرفة اليقينية من خلال تحديد ما لا يُمكن الشك فيه.

لا يتوافق الصياغة القوية للمنهج العلمي دائمًا مع شكل من أشكال التجريبية التي تُطرح فيها البيانات التجريبية في صورة خبرة أو أشكال مجردة أخرى من المعرفة، كما هو الحال في الممارسة العلمية الحالية حيث يُقبل عادةً استخدام النماذج العلمية والاعتماد على التصنيفات والنظريات المجردة. في عام 2010، اقترح هوكينغ قبول نماذج الفيزياء للواقع ببساطة عندما تثبت جدواها في تقديم تنبؤات مفيدة. ويُطلق على هذا المفهوم اسم الواقعية المعتمدة على النموذج . ^{[ 118 ]}

إن الجري السريع كما هو موضح في هذه اللوحة ( تيودور جيريكو ، 1821) مزيف ؛ انظر أدناه.

استُخدمت صور مويبريدج للحصان أثناء الحركة ، عام 1878، للإجابة على سؤال ما إذا كانت جميع حوافر الحصان الأربعة أثناء العدو ترتفع عن الأرض في الوقت نفسه. وهذا يُظهر استخدام التصوير الفوتوغرافي كأداة تجريبية في العلوم.

غالباً ما توجه المنهجية العلمية إلى اختبار الفرضيات في ظروف مضبوطة كلما أمكن ذلك. وهذا ممكن في كثير من الأحيان في بعض المجالات، مثل العلوم البيولوجية، وأكثر صعوبة في مجالات أخرى، مثل علم الفلك.

يمكن أن تُسهم ممارسة ضبط التجارب وإمكانية تكرارها في الحد من الآثار الضارة المحتملة للظروف، وإلى حد ما، التحيز الشخصي. فعلى سبيل المثال، قد تُغير المعتقدات المسبقة تفسير النتائج، كما هو الحال في تحيز التأكيد ؛ وهو أسلوب استدلالي يدفع الشخص الذي يحمل معتقدًا معينًا إلى رؤية الأمور على أنها تُعزز معتقده، حتى لو اختلف معه مراقب آخر (بمعنى آخر، يميل الناس إلى ملاحظة ما يتوقعون ملاحظته). ^{[ 39 ]}

[T]إن فعل التفكير يثار بسبب إثارة الشك، ويتوقف عند الوصول إلى الاعتقاد.

من الأمثلة التاريخية على ذلك الاعتقاد بأن أرجل الحصان أثناء العدو تكون متباعدة عند النقطة التي لا تلامس فيها أي من أرجله الأرض، لدرجة أن هذه الصورة أُدرجت في لوحات أنصار هذا الاعتقاد. إلا أن أولى الصور الملتقطة بتقنية إيقاف الحركة لحصان يركض، والتي التقطها إدوارد مويبريدج، أظهرت خطأ هذا الاعتقاد، وأن الأرجل تكون متقاربة. ^{[ 120 ]}

ومن بين التحيزات البشرية المهمة الأخرى التي تلعب دورًا في هذا السياق، الميل إلى تفضيل التصريحات الجديدة والمفاجئة (انظر: جاذبية الحداثة )، مما قد يؤدي إلى البحث عن أدلة تثبت صحة الجديد. ^{[ 121 ]} ويمكن تصديق المعتقدات غير الموثقة جيدًا والتصرف بناءً عليها من خلال أسلوب استدلالي أقل دقة. ^{[ 122 ]}

نشر غولدهاير ونييتو في عام 2010 ملاحظة مفادها أنه إذا وُصفت البنى النظرية التي تتضمن "العديد من المواضيع المتقاربة من خلال ربط المفاهيم النظرية، فإن البنية النظرية تكتسب متانة تجعل من الصعب - وإن لم يكن مستحيلاً - نقضها". ^{[ 123 ]} وعندما تُبنى سردية ما، تصبح عناصرها أسهل تصديقاً. ^{[ 124 ] [ 40 ]}  

يشير فليك (1979) ، صفحة 27 ، إلى أن "الكلمات والأفكار هي في الأصل معادلات صوتية وعقلية للتجارب المتزامنة معها... هذه الأفكار الأولية تكون في البداية واسعة النطاق وغير متخصصة بما فيه الكفاية... بمجرد تشكيل نظام آراء متكامل ومغلق يتكون من العديد من التفاصيل والعلاقات، فإنه يُبدي مقاومة دائمة لأي شيء يُخالفه". في بعض الأحيان، تُفترض عناصر هذه العلاقات مسبقًا ، أو تحتوي على خلل منطقي أو منهجي آخر في العملية التي أنتجتها في النهاية. وقد حلل دونالد م. ماكاي هذه العناصر من حيث حدود دقة القياس، وربطها بالعناصر الآلية في فئة القياس. ^{[ η ]} 

لقد برزت فكرة وجود مبررين متعارضين للحقيقة عبر تاريخ المنهج العلمي، كتحليل مقابل تركيب، أو غير توسعي/توسعي، أو حتى تأكيد وتحقق. (وهناك أنواع أخرى من الاستدلال). أحدهما يستخدم ما يُلاحَظ للوصول إلى حقائق أساسية، والآخر يستخلص من تلك الحقائق الأساسية مبادئ أكثر تحديدًا. ^{[ 125 ]}

يستنتج الاستدلال الاستنباطي نتائج محددة من مبادئ عامة راسخة؛ فإذا كانت المقدمات صحيحة، فلا بد أن تكون النتيجة صحيحة. أما الاستدلال الاستقرائي فيبني مبادئ عامة من الملاحظات، وتكون النتائج محتملة ولكنها غير مؤكدة. يستخدم البحث العلمي كلا النوعين: فالاستقراء يولد فرضيات من الملاحظات، والاستنباط يتنبأ بنتائج قابلة للاختبار. تتطلب هذه العملية شكًا دقيقًا تجاه الظواهر المرصودة، لأن الافتراضات المعرفية قد تشوه تفسير التصورات الأولية. ^{[ 126 ]}

يُمكن إيجاد مثال على كيفية عمل الاستدلال الاستقرائي والاستنتاجي في تاريخ نظرية الجاذبية . ^{[ p ]} استغرق الأمر آلاف السنين من القياسات، من قِبل علماء الفلك الكلدانيين والهنود والفرس واليونانيين والعرب والأوروبيين ، لتسجيل حركة كوكب الأرض بشكل كامل . [ q ] ^{تمكن كبلر (} وغيره ) بعد ذلك من بناء نظرياتهم المبكرة من خلال تعميم البيانات التي جُمعت استقرائيًا ، واستطاع نيوتن توحيد النظرية والقياسات السابقة في نتائج قوانينه للحركة عام 1727. ^{[ r ]}

من الأمثلة الشائعة الأخرى للاستدلال الاستقرائي ملاحظةُ مثالٍ مُضادٍّ للنظرية السائدة، مما يُحفِّز الحاجة إلى أفكارٍ جديدة. ففي عام ١٨٥٩، أشار لو فيرييه إلى مشاكل في حضيض عطارد ، مُظهِرًا أن نظرية نيوتن غير مكتملة على الأقل. وكان الاختلاف الملحوظ في ترنُّح عطارد بين نظرية نيوتن والملاحظة أحد الأمور التي خطرت ببال أينشتاين كاختبارٍ مُبكرٍ مُحتملٍ لنظريته النسبية . وقد تطابقت حساباته النسبية مع الملاحظة بشكلٍ أدق بكثير من نظرية نيوتن. ^{[ ] مع ذلك ،} يُشير النموذج القياسي للفيزياء اليوم إلى أننا ما زلنا نجهل بعض المفاهيم المُحيطة بنظرية أينشتاين، إلا أنها لا تزال قائمة حتى يومنا هذا، ويجري تطويرها بالاستدلال الاستقرائي.

يُعدّ افتراض صحة نظرية ما، ثم البناء عليها لاحقًا، مثالًا شائعًا على الاستدلال الاستنتاجي. فعلى سبيل المثال، يمكن لنظرية مبنية على إنجازات أينشتاين أن تنص ببساطة على: "لقد أثبتنا أن هذه الحالة تستوفي الشروط التي تنطبق عليها النسبية العامة/الخاصة، وبالتالي تنطبق استنتاجاتها أيضًا". إذا تم إثبات استيفاء "هذه الحالة" للشروط بشكل صحيح، فإن النتيجة تترتب على ذلك. ومن الأمثلة على ذلك افتراض وجود حل لمشكلة مفتوحة. يُستخدم هذا النوع الأضعف من الاستدلال الاستنتاجي في الأبحاث الحالية، حيث يعمل العديد من العلماء، أو حتى فرق من الباحثين، على حل حالات محددة تدريجيًا في سبيل إثبات نظرية أوسع. وغالبًا ما يؤدي ذلك إلى مراجعة الفرضيات مرارًا وتكرارًا مع ظهور أدلة جديدة.

تُظهر هذه الطريقة في عرض الاستدلال الاستقرائي والاستنتاجي جزءًا من سبب تقديم العلم غالبًا على أنه دورة من التكرار. من المهم أن نتذكر أن أساس هذه الدورة يكمن في الاستدلال، وليس فقط في اتباع الإجراءات.

يمكن معارضة ادعاءات الحقيقة العلمية بثلاث طرق: بتفنيدها، أو بالتشكيك في يقينيتها، أو بالقول بأن الادعاء نفسه غير متسق. ^{[ ] عدم الاتساق} ، هنا، يعني أخطاءً منطقية داخلية، مثل القول بأن المتناقضات صحيحة؛ أما التفنيد فهو ما كان بوبر ليسميه العمل النزيه للتخمين والتفنيد ^{[ 36 ]} - ولعل اليقين هو المكان الذي تنشأ فيه صعوبات التمييز بين الحقائق والأباطيل بسهولة أكبر.

تشمل القياسات العلمية تقديرات عدم اليقين ، المحسوبة من خلال القياسات المتكررة، وانتشار الخطأ من الكميات الأساسية، أو قيود أخذ العينات. ^{[ 85 ]} قد يمثل تعداد الأشياء عينة من الكميات المطلوبة، مع عدم يقين يعتمد على طريقة أخذ العينات المستخدمة وعدد العينات المأخوذة.

في حالة عدم دقة القياس، سيظهر ببساطة "انحراف محتمل" في استنتاجات الدراسة. أما الإحصاءات فتختلف. إذ يعتمد التعميم الإحصائي الاستقرائي على بيانات العينة لاستخلاص استنتاجات أكثر عمومية، وهو ما يتطلب تبريراً وتدقيقاً. بل يمكن القول إن النماذج الإحصائية مفيدة دائماً، لكنها لا تمثل تمثيلاً كاملاً للظروف .

في التحليل الإحصائي، يُعدّ التحيز المتوقع وغير المتوقع عاملاً بالغ الأهمية. ^{[ 131 ]} تخضع أسئلة البحث ، وجمع البيانات، وتفسير النتائج، لتدقيق أكبر بكثير مما هو عليه الحال في البيئات المنطقية المريحة. تخضع النماذج الإحصائية لعملية تحقق ، يمكن القول فيها إنّ الوعي بالتحيزات المحتملة أهم من المنطق الصارم؛ فالأخطاء المنطقية أسهل في اكتشافها في مراجعة الأقران . ^{[ u ]} وبشكل أعم، يجب وضع الادعاءات بالمعرفة العقلانية، وخاصة الإحصاء، في سياقها المناسب. ^{[ 126 ]} لذا، فإنّ عبارات بسيطة مثل "9 من كل 10 أطباء يوصون" تكون ذات جودة غير معروفة لأنها لا تبرر منهجيتها.

قد يؤدي عدم الإلمام بالمنهجيات الإحصائية إلى استنتاجات خاطئة. وبغض النظر عن المثال البسيط، فإن ^{تفاعل الاحتمالات المتعددة} هو أحد الأمثلة التي أظهر فيها بعض المتخصصين في المجال الطبي، على سبيل المثال، ^{نقصًا في الفهم} الصحيح. تُعدّ نظرية بايز مبدأً رياضيًا يوضح كيفية تعديل الاحتمالات القائمة بناءً على معلومات جديدة. وتُعدّ مفارقة الصبي أو الفتاة مثالًا شائعًا على ذلك. في تمثيل المعرفة، ^يُعدّ التقدير البايزي للمعلومات المتبادلة بين المتغيرات العشوائية وسيلةً ^{لقياس التبعية أو} الاستقلالية أو الترابط بين المعلومات قيد الدراسة.

إلى جانب منهجية المسح الشائعة في البحوث الميدانية ، يُستخدم هذا المفهوم، إلى جانب الاستدلال الاحتمالي، لتطوير مجالات علمية لا تمتلك فيها موضوعات البحث حالات وجود محددة. على سبيل المثال، في الميكانيكا الإحصائية .

يعتمد النموذج الاستنباطي الفرضي ، أو منهج اختبار الفرضيات، أو المنهج العلمي "التقليدي"، كما يوحي اسمه، على صياغة الفرضيات واختبارها عبر الاستدلال الاستنباطي . وتكتسب الفرضية التي تُبين النتائج المترتبة عليها، والتي تُسمى غالبًا بالتنبؤات ، والقابلة للتفنيد تجريبيًا، أهميةً مركزيةً هنا، إذ لا يتم اختبار الفرضية نفسها، بل نتائجها. ^{[ 135 ]} وبشكل أساسي، ينظر العلماء إلى النتائج الافتراضية التي تنطوي عليها نظرية (محتملة) ويثبتونها أو يدحضونها بدلًا من النظرية نفسها. فإذا أظهر اختبار تجريبي لتلك النتائج الافتراضية أنها خاطئة، فمن المنطقي أن يكون الجزء من النظرية الذي تضمنها خاطئًا أيضًا. أما إذا أظهرت صحتها، فلا يُثبت ذلك النظرية بشكل قاطع.

إن منطق هذا الاختبار هو ما يُمكّن هذا الأسلوب من الاستقصاء الاستنتاجي. يُفترض أن الفرضية المُصاغة "صحيحة"، ومن هذه "الصحيحة" تُستنتج النتائج. إذا أظهرت الاختبارات اللاحقة أن النتائج خاطئة، فإن الفرضية خاطئة أيضًا. أما إذا أظهرت الاختبارات أن النتائج صحيحة، فسيتم اكتساب رؤى جديدة. من المهم إدراك أن الاختبار الإيجابي هنا سيُشير بقوة، في أحسن الأحوال، إلى صحة الفرضية المختبرة، ولكنه لن يُثبتها بشكل قاطع، لأن الاستدلال الاستنتاجي (أ ⇒ ب) ليس مكافئًا لها؛ فالمنطق الصحيح هو (¬ب ⇒ ¬أ). ومع ذلك، فإن نتائجها الإيجابية، كما قال همبل، تُقدم "على الأقل بعض الدعم، أو بعض التأييد، أو التأكيد". ^{[ 136 ]} لهذا السبب أصرّ بوبر على أن تكون الفرضيات المطروحة قابلة للتفنيد، لأن الاختبارات الناجحة لا تُشير إلا إلى القليل جدًا بخلاف ذلك. وكما قال جيليس ، "النظريات الناجحة هي تلك التي تنجو من الاستبعاد من خلال التكذيب". ^{[ 135 ]}

في هذا النمط من البحث، يُستبدل الاستدلال الاستنتاجي أحيانًا بالاستدلال الاستنباطي ، أي البحث عن التفسير الأكثر ترجيحًا عبر الاستدلال المنطقي. على سبيل المثال، في علم الأحياء، حيث القوانين العامة قليلة، ^{[ 135 ]} إذ تعتمد الاستنتاجات الصحيحة على افتراضات راسخة. ^{[ 126 ]}

برز المنهج الاستقرائي في استخلاص الحقيقة العلمية لأول مرة مع فرانسيس بيكون ، ولا سيما مع إسحاق نيوتن ومن تبعه. ^{[ 137 ]} بعد إرساء منهج البيانات الضخمة ، تم تجاهله في كثير من الأحيان باعتباره أشبه بـ"استكشاف عشوائي". ^{[ 135 ]} لا يزال هذا المنهج صالحًا إلى حد ما، لكن المنهج الاستقرائي اليوم غالبًا ما يكون بعيدًا كل البعد عن المنهج التاريخي، إذ يضفي حجم البيانات المجمعة فعالية جديدة على المنهج. ويرتبط هذا المنهج في الغالب بمشاريع استخراج البيانات أو مشاريع الرصد واسعة النطاق. في كلتا الحالتين، غالبًا ما تكون نتائج التجارب المقترحة غير واضحة على الإطلاق، وبالتالي تنشأ المعرفة بعد جمع البيانات من خلال الاستدلال الاستقرائي. ^{[ r ]}

بينما يجمع أسلوب البحث التقليدي بين الأمرين، فإن المنهج الاستقرائي عادةً ما يكتفي بصياغة سؤال بحثي ، لا فرضية. فبعد السؤال الأولي، يتم تحديد طريقة مناسبة لجمع البيانات بكفاءة عالية، ثم تُعالج البيانات الناتجة وتُنقى، وتُستخلص النتائج لاحقًا. "هذا التحول في التركيز يرفع من شأن البيانات إلى دور محوري في الكشف عن رؤى جديدة بذاتها". ^{[ 135 ]}

تتميز الطريقة الاستقرائية عن الطرق التي تصوغ فرضية بأنها خالية أساسًا من "أفكار الباحث المسبقة" حول موضوع البحث. من جهة أخرى، يرتبط الاستدلال الاستقرائي دائمًا بدرجة من اليقين، كما هو الحال في جميع الاستنتاجات المستنبطة استقرائيًا. ^{[ 135 ]} مع ذلك، يمكن أن تصل درجة اليقين هذه إلى مستويات عالية جدًا. على سبيل المثال، في تحديد الأعداد الأولية الكبيرة ، المستخدمة في برامج التشفير . ^{[ 138 ]}

النمذجة الرياضية ، أو الاستدلال الخارجي، هي عادةً صياغة فرضية يتبعها بناء نماذج رياضية قابلة للاختبار بدلاً من إجراء تجارب معملية فيزيائية. يعتمد هذا النهج على عاملين رئيسيين: التبسيط/التجريد، ومجموعة من قواعد التوافق. تحدد قواعد التوافق كيفية ارتباط النموذج المُنشأ بالواقع - أي كيفية استخلاص الحقيقة؛ وتتمثل خطوات التبسيط المُتخذة في تجريد النظام المُعطى في تقليل العوامل غير ذات الصلة، وبالتالي تقليل الأخطاء غير المتوقعة. ^{[ 135 ]} كما تُساعد هذه الخطوات الباحث على فهم العوامل المهمة في النظام، ومدى إمكانية الوصول إلى مبدأ الاقتصاد في الفرضيات حتى يصبح النظام أكثر استقرارًا وثباتًا. سيتم تناول مبدأ الاقتصاد في الفرضيات والمبادئ ذات الصلة بمزيد من التفصيل لاحقًا .

بمجرد اكتمال هذه الترجمة إلى الرياضيات، يمكن تحليل النموذج الناتج، بدلاً من النظام المقابل، باستخدام الوسائل الرياضية والحسابية البحتة. وبطبيعة الحال، فإن نتائج هذا التحليل رياضية بحتة أيضاً، وتُترجم مرة أخرى إلى النظام كما هو موجود في الواقع عبر قواعد التوافق المحددة مسبقاً - أي التكرار بعد مراجعة النتائج وتفسيرها. غالباً ما تكون طريقة استدلال هذه النماذج استنتاجية رياضية، ولكن ليس بالضرورة. ومن الأمثلة على ذلك محاكاة مونت كارلو . تُولّد هذه المحاكاة بيانات تجريبية "بشكل عشوائي"، ورغم أنها قد لا تكشف عن مبادئ عالمية، إلا أنها قد تكون مفيدة. ^{[ 135 ]}

ترتبط المعرفة العلمية ارتباطًا وثيقًا بالنتائج التجريبية ، وقد تظل عرضة للتفنيد إذا تعارضت الملاحظات التجريبية الجديدة مع ما تم التوصل إليه. أي أنه لا يمكن اعتبار أي نظرية نهائية، إذ قد تُكتشف أدلة جديدة إشكالية. وفي حال العثور على مثل هذه الأدلة، قد تُقترح نظرية جديدة، أو (وهو الأكثر شيوعًا) يُكتشف أن تعديلات على النظرية السابقة كافية لتفسير الأدلة الجديدة. وتعتمد قوة النظرية على مدى استمرارها دون تغيير جوهري في مبادئها الأساسية.

قد تندمج النظريات أيضًا ضمن نظريات أخرى. فعلى سبيل المثال، فسّرت قوانين نيوتن آلاف السنين من الملاحظات العلمية للكواكب تفسيرًا شبه كامل . ومع ذلك، تبيّن لاحقًا أن هذه القوانين حالات خاصة من نظرية أعمّ ( النسبية )، والتي فسّرت الاستثناءات (التي لم تكن مُفسّرة سابقًا) لقوانين نيوتن، وتنبأت وفسّرت ملاحظات أخرى مثل انحراف الضوء بفعل الجاذبية . وهكذا، في بعض الحالات، يمكن ربط الملاحظات العلمية المستقلة وغير المترابطة، وتوحيدها بمبادئ ذات قدرة تفسيرية متزايدة. ^{[ 141 ] [ 123 ]}

بما أن النظريات الجديدة قد تكون أكثر شمولية من سابقاتها، وبالتالي قادرة على تفسير أكثر مما سبقها، فقد تتمكن النظريات اللاحقة من بلوغ مستوى أعلى من خلال تفسير مجموعة أكبر من الملاحظات مقارنةً بأسلافها. ^{[ 141 ]} على سبيل المثال، تفسر نظرية التطور تنوع الحياة على الأرض ، وكيفية تكيف الأنواع مع بيئاتها، والعديد من الأنماط الأخرى الملاحظة في العالم الطبيعي؛ ^{[ 142 ] [ 143 ]} وكان آخر تعديل رئيسي لها هو توحيدها مع علم الوراثة لتشكيل التركيب التطوري الحديث . وفي التعديلات اللاحقة، استوعبت أيضًا جوانب من العديد من المجالات الأخرى مثل الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية .

على مر التاريخ، تعاقبت نظرياتٌ عديدة، واقترح بعضها مزيدًا من البحث، بينما اكتفى البعض الآخر بتفسير الظواهر. ولا تكون أسباب استبدال نظرية بأخرى واضحةً أو بسيطةً دائمًا. وتشمل فلسفة العلم سؤالًا هامًا: ما هي المعايير التي تُحدد جودة النظرية؟ لهذا السؤال تاريخٌ طويل، وقد تناوله العديد من العلماء والفلاسفة. والهدف هو اختيار نظريةٍ ما على أخرى دون الوقوع في التحيز المعرفي . ^{[ 144 ]} ورغم اختلاف وجهات نظر المفكرين، ^{[ 1 ]} فإن النظريات الجيدة تتسم بالدقة، والاتساق الداخلي، والقدرة على التفسير بما يتجاوز البيانات المطلوبة، وتوحيد الظواهر المتباينة، والفائدة البحثية. وعندما تكون الأدلة التجريبية محدودة، يميل العلماء إلى البساطة والملاحظات الثابتة. وقد يلجأ العلماء أحيانًا إلى معايير ذاتية للغاية، مثل "الأناقة الشكلية"، التي قد تشير إلى معانٍ متعددة.

الهدف هنا هو جعل الاختيار بين النظريات أقل تعسفًا. ومع ذلك، تتضمن هذه المعايير عناصر ذاتية، وينبغي اعتبارها استرشادية وليست قطعية. ^{[ κ ]} كما أن معايير كهذه لا تحسم بالضرورة بين النظريات البديلة. نقلاً عن بيرد : ^{[ 150 ]}

لا يمكن لهذه المعايير أن تحدد الخيار العلمي. أولًا، قد يكون تحديد سمات النظرية التي تستوفي هذه المعايير محل جدل ( على سبيل المثال، هل تتعلق البساطة بالالتزامات الأنطولوجية للنظرية أم بشكلها الرياضي؟). ثانيًا، هذه المعايير غير دقيقة، وبالتالي هناك مجال للاختلاف حول مدى صحتها. ثالثًا، قد يكون هناك اختلاف حول كيفية ترجيحها بالنسبة لبعضها البعض، خاصةً عندما تتعارض.

كما أن مدى استيفاء النظريات العلمية الحالية لجميع هذه المعايير أمرٌ قابل للنقاش، إذ قد تمثل هذه المعايير أهدافًا لم تُحقق بعد. فعلى سبيل المثال، لا توجد نظرية واحدة في الوقت الراهن قادرة على تفسير جميع الملاحظات الموجودة. ^{[ 151 ] [ 152 ]}

التعددية العلمية موقفٌ ضمن فلسفة العلم يرفض مختلف التوحيدات المقترحة للمنهج العلمي وموضوعه. يرى أنصار التعددية العلمية أن العلم غير موحد في واحد أو أكثر من الجوانب التالية: ميتافيزيقا موضوعه ، أو نظرية المعرفة العلمية، أو مناهج البحث ونماذجه. يعتقد بعض التعدديين أن التعددية ضرورية لطبيعة العلم. بينما يرى آخرون أنه بما أن التخصصات العلمية تختلف بالفعل في الممارسة، فلا يوجد ما يدعو للاعتقاد بأن هذا الاختلاف خاطئ إلى حين إثبات توحيد محدد تجريبياً . وأخيراً، يرى البعض أنه ينبغي السماح بالتعددية لأسباب معيارية ، حتى لو كان التوحيد ممكناً نظرياً.

كان مبدأ التوحيد، في العلوم، ركيزة أساسية من ركائز الوضعية المنطقية . ^{[ 163 ] [ 164 ]} وقد فسّر الوضعيون المنطقيون المختلفون هذا المبدأ بطرقٍ متعددة، منها: أطروحة اختزالية ، مفادها أن الأشياء التي تدرسها العلوم المتخصصة تُختزل إلى أشياء مجال علمي مشترك، يُفترض أنه أكثر أساسية، ويُعتقد عادةً أنه الفيزياء؛ أو أطروحة مفادها أن جميع نظريات ونتائج مختلف العلوم يمكن أو ينبغي التعبير عنها بلغة مشتركة أو "مصطلحات عالمية"؛ أو أطروحة مفادها أن جميع العلوم المتخصصة تشترك في منهج علمي مشترك. ^{[ y ]}

لقد واجه تطوير هذه الفكرة صعوبات بسبب التقدم المتسارع في التكنولوجيا الذي فتح العديد من الطرق الجديدة للنظر إلى العالم.

إن حقيقة تغير معايير النجاح العلمي بمرور الوقت لا تجعل فلسفة العلم صعبة فحسب، بل تثير أيضاً إشكاليات في فهم الجمهور للعلم. فنحن لا نمتلك منهجاً علمياً ثابتاً نتكاتف حوله وندافع عنه.

درس بول فييرابند تاريخ العلم، وخلص إلى إنكار أن العلم عملية منهجية بحتة. في كتابه " ضد المنهج" الصادر عام ١٩٧٥، جادل بأنه لا يمكن لأي وصف للمنهج العلمي أن يكون شاملاً بما يكفي ليشمل جميع المناهج والأساليب التي يستخدمها العلماء، وأنه لا توجد قواعد منهجية مفيدة وخالية من الاستثناءات تحكم تقدم العلم. باختصار، قال إنه بالنسبة لأي منهج أو معيار علمي محدد، يمكن إيجاد مثال تاريخي ساهم فيه انتهاكه في تقدم العلم. واقترح مازحًا أنه إذا رغب المؤمنون بالمنهج العلمي في التعبير عن قاعدة واحدة صالحة عالميًا، فينبغي أن تكون " كل شيء جائز ". ^{[ ١٦٦ ]} ومع ذلك، وكما سبق ذكره، فإن هذا غير اقتصادي؛ إذ ينبغي على الباحثين وحلّ المشكلات أن يكونوا حذرين في استخدام مواردهم أثناء بحثهم. ^{[ هـ ]}

توصلت دراسةٌ شملت مقابلاتٍ مع علماء حول مفهومهم للمنهج إلى استنتاجٍ أعمّ ضدّ المنهج الرسمي. فقد أشارت هذه الدراسة إلى أن العلماء يواجهون صعوبةً في كثيرٍ من الأحيان في تحديد ما إذا كانت الأدلة المتاحة تدعم فرضياتهم. وهذا يكشف عن عدم وجود روابط مباشرة بين المفاهيم المنهجية الشاملة والاستراتيجيات الدقيقة لتوجيه سير البحث. ^{[ 168 ]}

في مجال تعليم العلوم ، كان لفكرة المنهج العلمي العام والشامل تأثيرٌ ملحوظ، وقد أظهرت دراساتٌ عديدة (في الولايات المتحدة) أن هذا الإطار المنهجي غالبًا ما يُشكّل جزءًا من تصور الطلاب والمعلمين للعلوم. ^{[ 169 ] [ 170 ]} وقد عارض العلماء هذا النهج التقليدي في التعليم، إذ يوجد إجماعٌ على أن العناصر المتسلسلة في التعليم والنظرة الموحدة للمنهج العلمي لا تعكس كيفية عمل العلماء في الواقع. ^{[ 171 ] [ 172 ] [ 173 ]} وتعتبر منظماتٌ علميةٌ كبرى، مثل الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS)، العلوم جزءًا من تقاليد الفنون الليبرالية، وأن الفهم الصحيح للعلوم يشمل فهم الفلسفة والتاريخ، وليس مجرد دراسة العلوم بمعزلٍ عن غيرها. ^{[ 174 ]}

لقد تم تدريس كيفية إنتاج العلوم للمعرفة في سياق المنهج العلمي (بصيغة المفرد) منذ أوائل القرن العشرين. وقد قامت أنظمة تعليمية مختلفة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر الولايات المتحدة، بتدريس المنهج العلمي كعملية أو إجراء، منظم كسلسلة محددة من الخطوات: ^{[ 178 ]} الملاحظة، الفرضية، التنبؤ، التجربة.

لطالما شكّل هذا النموذج من المنهج العلمي معيارًا راسخًا في التعليم الابتدائي والثانوي، وكذلك في العلوم الطبية الحيوية. ^{[ 180 ]} ويُعتبر منذ زمن طويل تبسيطًا غير دقيق لكيفية تنظيم بعض الاستقصاءات العلمية. ^{[ 175 ]}

واجه التعليم العلمي التقليدي انتقادات لتقديمه منهجية أحادية مبسطة للغاية، تُبالغ في التركيز على التجريب، وتتجاهل السياق الاجتماعي، وتقترح توليد المعرفة تلقائيًا من خلال خطوات إجرائية. ^{[ 181 ] [ 182 ]}

لم يعد المنهج العلمي مُدرجًا في معايير التعليم الأمريكية لعام 2013 ( NGSS ) التي حلت محل معايير عام 1996 ( NRC ). وقد أثرت هذه المعايير أيضًا على تعليم العلوم على المستوى الدولي، ^{[ 181 ]} وتحولت المعايير المُقاسة منذ ذلك الحين من منهج اختبار الفرضيات الأحادي إلى مفهوم أوسع للمناهج العلمية. ^{[ 183 ]} ​​تُوصف هذه المناهج العلمية، المتجذرة في الممارسات العلمية لا في نظرية المعرفة، بأنها الأبعاد الثلاثة للممارسات العلمية والهندسية، والمفاهيم الشاملة (الأفكار متعددة التخصصات)، والأفكار الأساسية لكل تخصص. ^{[ 181 ]}

غالباً ما يُنظر إلى المنهج العلمي، نتيجةً لتفسيراته المبسطة والشاملة، على أنه قد بلغ مكانةً أسطورية؛ كأداة للتواصل، أو في أحسن الأحوال، كمثالٍ مثالي. ^{[ 38 ] [ 172 ]} وقد تأثر نهج التعليم بشكل كبير بكتاب جون ديوي، " كيف نفكر" (1910) . ^{[ 35 ]} وأشار فان دير بلوغ (2016) إلى أن آراء ديوي حول التعليم استُخدمت لفترة طويلة لتعزيز فكرة تعليم المواطنة المنفصلة عن "التعليم السليم"، مدعياً ​​أن الإشارات إلى ديوي في مثل هذه الحجج ما هي إلا تفسيرات غير مناسبة (لديوي). ^{[ 184 ]}

يُعدّ علم اجتماع المعرفة مفهومًا في النقاش الدائر حول المنهج العلمي، إذ يدّعي أن المنهج الأساسي للعلم هو منهج اجتماعي. ويوضح كينغ أن علم الاجتماع يُميّز هنا بين منظومة الأفكار التي تُحكم العلوم من خلال منطق داخلي، والنظام الاجتماعي ^{الذي تنشأ فيه تلك الأفكار .}

تشير التقديرات إلى أن ما بين 33% و50% من الاكتشافات العلمية قد تم التوصل إليها مصادفةً ، بدلاً من البحث عنها. وهذا قد يفسر سبب تعبير العلماء في كثير من الأحيان عن حظهم. ^{[ 9 ]} وقد أقرّ العلماء أنفسهم في القرنين التاسع عشر والعشرين بدور الحظ السعيد أو الصدفة في الاكتشافات. ^{[ 10 ]} يُنسب إلى لويس باستور القول المأثور: "الحظ يحالف العقل المُستعد"، لكن بعض علماء النفس بدأوا بدراسة معنى "الاستعداد للحظ" في السياق العلمي. تُظهر الأبحاث أن العلماء يتلقون تدريباً على أساليب استدلالية متنوعة تُسهم في تسخير الصدفة والمفاجآت. ^{[ 9 ] [ 197 ]} وهذا ما يُطلق عليه نسيم نيكولاس طالب "مقاومة الهشاشة"؛ فبينما تكون بعض أنظمة البحث هشة أمام الخطأ البشري والتحيز البشري والعشوائية، فإن المنهج العلمي ليس مجرد نظام مقاوم أو قوي، بل إنه يستفيد من هذه العشوائية بطرق عديدة (فهو مضاد للهشاشة). يعتقد طالب أنه كلما كان النظام أكثر مقاومة للهشاشة، كلما ازدهر في العالم الحقيقي. ^{[ 198 ]}

يقول عالم النفس كيفن دنبار إن عملية الاكتشاف غالبًا ما تبدأ باكتشاف الباحثين لأخطاء في تجاربهم. تدفع هذه النتائج غير المتوقعة الباحثين إلى محاولة إصلاح ما يعتقدون أنه خطأ في منهجهم. في نهاية المطاف، يقرر الباحث أن الخطأ مستمر ومنهجي للغاية بحيث لا يمكن اعتباره مجرد صدفة. ولذلك، فإن الجوانب الدقيقة والحذرة والفضولية للمنهج العلمي هي ما تجعله مناسبًا تمامًا لتحديد مثل هذه الأخطاء المنهجية المستمرة. عند هذه النقطة، يبدأ الباحث في التفكير في تفسيرات نظرية للخطأ، وغالبًا ما يلتمس مساعدة زملائه من مختلف مجالات الخبرة. ^{[ 9 ] [ 197 ]}

عندما تستخدم المنهجية العلمية الإحصاء كجزء أساسي من أدواتها، تظهر مشكلات رياضية وعملية قد تؤثر سلبًا على موثوقية نتائجها. وقد وُصِف هذا الأمر في ورقة بحثية علمية شهيرة نُشرت عام ٢٠٠٥ بعنوان " لماذا معظم نتائج الأبحاث المنشورة خاطئة ؟" لجون إيوانيديس ، والتي تُعتبر مرجعًا أساسيًا في مجال ما وراء العلوم . ^{[ ١٣٢ ]} ويسعى الكثير من الأبحاث في ما وراء العلوم إلى تحديد أوجه القصور في استخدام الإحصاء وتحسينه، ومن الأمثلة على ذلك سوء استخدام قيم الاحتمال (p-values ). ^{[ ١٩٩ ]}

تُطرح هنا نقاطٌ إحصائية واقتصادية. فمن الناحية الإحصائية، تقل احتمالية صحة نتائج البحوث عندما تكون الدراسات صغيرة الحجم، وعندما تتسم تصميمات الدراسات وتعريفاتها ونتائجها وأساليب تحليلها بمرونة كبيرة. أما من الناحية الاقتصادية، فتتراجع موثوقية النتائج في المجالات التي تسودها المصالح المالية والتحيزات، وتشتدّ فيها المنافسة بين فرق البحث. ونتيجةً لذلك، تُعتبر معظم نتائج البحوث خاطئة في مختلف التصميمات والمجالات العلمية، لا سيما في البحوث الطبية الحيوية الحديثة، التي غالبًا ما تُجرى في مجالات ذات احتمالات ضئيلة جدًا قبل الدراسة وبعدها للوصول إلى نتائج صحيحة. ومع ذلك، ورغم هذه التحديات، ستستمر معظم الاكتشافات الجديدة في الظهور من خلال بحوث توليد الفرضيات التي تبدأ باحتمالات منخفضة أو معدومة قبل الدراسة. وهذا يشير إلى أن توسيع آفاق المعرفة سيعتمد على استكشاف مجالات خارج التيار السائد، حيث قد تبدو فرص النجاح ضئيلة في البداية. ^{[ 132 ]}

يمكن أن يشمل تطبيق العلوم على الأنظمة المعقدة عناصر مثل التخصصات المتداخلة ، ونظرية الأنظمة ، ونظرية التحكم ، والنمذجة العلمية .

بشكل عام، قد يصعب تطبيق المنهج العلمي بدقة على الأنظمة المتنوعة والمترابطة ومجموعات البيانات الضخمة. وعلى وجه الخصوص، قد تُعتبر الممارسات المستخدمة في مجال البيانات الضخمة ، مثل التحليلات التنبؤية ، متعارضة مع المنهج العلمي، ^{[ 200 ]} إذ قد تكون بعض البيانات قد جُرِّدت من المعايير التي قد تكون جوهرية في الفرضيات البديلة للتفسير؛ وبالتالي، فإن البيانات المُجرَّدة لن تخدم سوى دعم الفرضية الصفرية في تطبيق التحليلات التنبؤية. ويشير فليك (1979) ، الصفحات 38-50 ، إلى أن " الاكتشاف العلمي يظل ناقصًا دون مراعاة الممارسات الاجتماعية التي تُؤثِّر فيه". ^{[ 201 ]}