منهج العلم

الملاحظة مقابل التجربة

الملاحظة والتجربة هما «الحقيقتان» اللتان تقوم عليهما الفرضيات العلمية. وعلى الرغم من أن مرحلة الملاحظة تسبق مرحلة صياغة الفرضية وأن مرحلة الإخضاع للتجربة تأتي بعد مرحلة التنبؤ، فإن الأمر يختلف عندما تكون هناك حاجة إلى تعديل فرضية ما، إذ إن التجارب عندئذٍ سيُتعامل معها على أنها ملاحظات تؤدي بدورها إلى الفرضية المعدلة.

يتطلب كل من الملاحظة والتجربة قياسات صحيحة ومحددة للواقع المادي الملموس. تلك القياسات ينبغي أن يكون من السهل أن يعيدها أي شخص يجري التجربة ممن يحظون بالقدر المناسب من التدريب. على سبيل المثال، احتاج إثبات صحة الفرضيات المتعلقة بتكوين الأرض ونشأة الكون إلى القياس الدقيق لكثافة صخور سطح الكرة الأرضية ولكثافة الإشعاع الخلفي المخترق للكون.

من الملاحظة إلى الفرضية

عبر الرسام السريالي البلجيكي رينيه ماجريت عن ذلك في لوحته الفنية الشهيرة التي حملت عنوان «هذا ليس غليونًا». الغرض من هذه اللوحة الفنية هو أن يعي الناس أنه لا ينبغي الخلط بين الصورة أو النموذج وبين أصل الشيء الذي تمثله هذه الصورة. بعبارة أخرى أراد ماجريت أن يقول لنا إن الأصل والصورة ليسا شيئًا واحدًا (تعد لوحة ماجريت نوعًا من الكاريكاتير التحليلي، وقد أضاف إليها عالم الفيزياء تشارلي وين سطرًا جديدًا … على أي حال لن نخوض في هذا ولنترك من الآن فصاعدًا مهمة الرسومات الكاريكاتيرية لسيدني هاريس!)

شكل ٧-١: من مرحلة الملاحظة إلى مرحلة صياغة الفرضية.

يستخدم مصطلح «التجريد» ليشير إلى استخدام الرموز — مثل كلمة إلكترون — محل العناصر المادية. وأحد أمثلة هذا التجريد هو تحويل عالم الفيزياء نيلز بور واقعًا ماديًّا ملاحظًا وهو الضوء المنبعث من الذرات المثارة، إلى مفهوم وهو أن الإلكترونات توجد في مستويات طاقة منفصلة وواضحة.

يتطلب تشكيل الفرضية غالبًا وضع صيغة «عامة» تصف مجموعة من الحقائق «المحددة». هذا النوع من الاستدلال الذي ينتقل بنا من الحقائق المؤكدة إلى التعميم غير المؤكد يسمى الاستدلال الاستقرائي. والاستدلال الاستقرائي بمعناه الأوسع المستخدم في صياغة الفرضية ينطلق من مجموعة من الملاحظات يعتبرها مقدمات منطقية لتأييد هذه الفرضية، لا لضمان صحتها. على سبيل المثال لنفترض أنك رأيت ٤٠٠ سيارة في يوم ما وكانت جميعها تسير على أربع عجلات. يمكنك أن تستنتج أن كل السيارات لها أربع عجلات لكن دون أن تجزم بذلك. إذ إن المرء يستنتج ما تشير إليه الملاحظات ضمنًا. غير أن هذا النوع من الاستدلال يمكن أن يكون مضللًا؛ إذ توجد بالفعل سيارات ذات ثلاث عجلات.

وإليك مثالًا على استخدام الاستدلال الاستقرائي في الكيمياء: تظهر بعض الخصائص الكيميائية المحددة في جميع ذرات الكلور التي وضعها علماء الكيمياء تحت الاختبار، فهي تتفاعل مع الصوديوم مكونة الملح، كما أنها تميل إلى الاتحاد في مجموعات من زوجين لتكوين مادة غازية … إلخ. استنادًا على هذه البيانات افترض علماء الكيمياء أن جميع ذرات الكلور في جميع أرجاء الكون لها هذه الخصائص نفسها. فهل يعد ذلك افتراضًا مضمونًا؟ الإجابة هي بالطبع لا، فعلماء الكيمياء لم يختبروا سوى جزء ضئيل جدًّا من ذرات الكلور الموجودة على سطح الكرة الأرضية، ومع هذا — ويا للعجب — نجدهم يريدون تعميم هذه الملاحظة على الكون كله!

إليك مثالًا آخر على الاستدلال الاستقرائي مستمدًّا من واقع الحياة اليومية: أعتقد أنك كثيرًا ما قمت بعبور الطريق عند نقطة التقاطع توجد بها إشارة المرور، وفي كل المرات التي عبرت فيها الطريق من تلك النقطة لاحظت توقف جميع السيارات عندما يتحول ضوء الإشارة إلى الأحمر. وذات يوم، قررت أن تقدم على مجازفة استقرائية فتنبأت أنه لن تكسر أي سيارة إشارة المرور قط، ثم تقدمت بكل شجاعة لتعبر الطريق. ترجح الاحتمالات أنك ستكون على صواب وسيحدث ما توقعته، ولكن احذر فالعواقب قد تكون مهلكة!

تمثيل الواقع

عادة ما يعبر عن الفرضيات في صورة كلمات وأرقام ورموز تستخدم كلها لتعبر عن عناصر مادية واقعية. على سبيل المثال يمكن أن نعبر عن فرضية الانفجار العظيم بالكلمات كالآتي: «منذ ما يقرب من ١٥ مليار عام، تركزت كل المادة وصور الطاقة الموجودة بالكون في كتلة واحدة يُشار إليها باسم الكرة النارية الأولية، وتكونت هذه الكرة من … إلخ.»

ويمكن أن تأخذ الفرضيات شكل العلاقات الكمية كما في المثال الآتي الذي يتناول الإشعاع المنبعث من الذرات المثارة: ثمة خاصية للإشعاع تسمى «التردد»، والتردد هو عدد الموجات الضوئية الكاملة التي تمر بنقطة ما خلال ثانية واحدة. وتنص فرضية نيلز بور على أنه عندما يقفز إلكترون ذرة مثارة إلى مستويات الطاقة الأقل، فإن تردد الضوء المنبعث يرتبط بمدى الاختلاف في مستويات الطاقة، إذ كلما اتسعت فجوة الطاقة بين المستويات التي يقفز بينها الإلكترون زاد تردد الضوء المنبعث.

شاع هذا النوع من العلاقات في العلوم إلى حد أنه طورت لغة مختزلة للتعبير عنها، هذه اللغة هي الرياضيات. والصيغة المختزلة لما شرحناه في الفقرة السابقة هي:

تعتبر الرياضيات نوعًا من اللغات بل إنها تكاد تكون لغة عالمية. ولأن اللغات ضرورية لتبادل الآراء حول الفرضيات، فإن الرياضيات مفيدة للغاية للعلم. لكن الرياضيات هي في الأساس لغة تعبر عن العلاقات بين الرموز، و«ليست» في حد ذاتها علمًا؛ لأن العلم يبدأ وينتهي بالحقائق المادية والواقعية. أما الرياضيات فبوسعها أن تكتشف العلاقات المحتملة بين المجردات دون أن تعبأ بما إذا كان لتلك المجردات نظائر في العالم الواقعي أم لا.

بالنسبة إلى النظام الرياضي لا توجد حاجة إلى الاهتمام بالعالم الواقعي (بالرغم من أنه غالبًا يهتم بهذا العالم).

الفرضيات مقابل القوانين مقابل النظريات مقابل النماذج

كما يمكن أن تتطور النظرية بذاتها؛ أي تكون تفسيرًا مستمدًّا مباشرة من الملاحظات. وهذا هو ما حدث في حالة نظرية التطور. وهكذا يمكن أن تكون النظريات عبارة عن مبادئ توحيدية تفسر مجموعة من الحقائق أو القوانين المبنية على تلك الحقائق. وتأخذ النظريات في بعض الأحيان شكل النماذج، وهي عبارة عن تمثيل للواقع وضِع لتفسير الظواهر، مثل نموذج ميكانيكا الكم للذرة.

من الافتراض إلى التنبؤ

غالبًا ما تصبح الفرضيات العلمية معقدة للغاية عند التعبير عنها رياضيًّا حيث تتطلب معادلات وعمليات عديدة ومطولة بل قد تتطلب أحيانًا الاستعانة بالحاسوب. تتناول الرياضيات دراسة الطريقة التي تُصاغ وتُعدَّل بها العلاقات الرمزية. أحد أهم إسهامات الرياضيات هو أن التلاعب بصياغة العلاقات الرياضية أتاح ترقية التنبؤ إلى درجة ثبوت الفرضية.

شكل ٧-٢: تحول الفرضية إلى تنبؤ.

الانتقال من التنبؤ إلى التجربة

تتكون الصيغة العامة للتنبؤ من كلمات أو أرقام، ولذا فهي صيغة رمزية شأنها شأن الفرضية. وهذه الكلمات أو الأرقام تُعَدُّ رموزًا «خاصة» بعكس الرموز «العامة» التي تشتمل عليها الفرضية. ونظرًا لاستخدام الاستدلال الاستنباطي في التوصل إلى التنبؤ، يعتبر هذا التنبؤ صحيحًا شأنه شأن الفرضية.

شكل ٧-٣: الانتقال من التنبؤ إلى التجربة.

تعديل الفرضية (إعادة الخطوات مرة أخرى)

إذا لم تؤيد التجربة التنبؤ، يكون من الواجب حينئذٍ تعديل الفرضية. وتعديل الفرضيات التي لم يؤيدها الدليل الذي حُصِل عليه من التجربة يتطلب اتخاذ قرار مهم وحاسم. هل نعدل فقط الفرضية القديمة تعديلًا طفيفًا لكي تتماشى مع النتائج الجديدة التي حصلنا عليها من التجربة، أم أن الوقت قد حان لصياغة فرضية جديدة تمامًا؟

وحتى لو أيدت التجربة التنبؤ، لا يعني ذلك أن الأمر انتهى عند هذا الحد. لأن التنبؤ والتجربة يعتبران في نهاية الأمر مجرد حالات خاصة في حين أن الفرضية عامة. ولهذا تعتبر كل تجربة ناجحة مجرد تأييد جزئي للفرضية. ولو افترضنا أن عالِمًا ما قام باكتشاف فرضية مطلقة الصحة، فلا سبيل إلى معرفة أنه فعل.

«كل» اعتقاد علمي هو غير يقيني بطبيعته، و«كل» رأي علمي يقف على حافة الخطأ، كما أنه عرضة للمراجعة والتنقيح المستمرَّين. ولذلك يُعَدُّ التعصبُ لنظرية ما أمرًا خطيرًا. إذ لا بد أن يتأهب العلماء للمفاجآت وأن يتقبلوها بصدر رحب.

شكل ٧-٤: إعادة تصوير النهج العلمي.