科学的方法とは何か②科学的方法の要素

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今回は科学的方法の英語版Wikipediaの翻訳をします。

翻訳のプロではありませんので、誤訳などがあるかもしれません。正確さよりも一般の日本語ネイティブがあまり知られていない海外情報などの全体の流れを掴めるようになること、これを第一の優先課題としていますのでこの点ご理解いただけますと幸いです。翻訳はDeepLやGoogle翻訳などを活用しています。

翻訳において、思想や宗教について扱っている場合がありますが、私自身の思想信条とは全く関係がないということは予め述べておきます。あくまで資料としての価値を優先して翻訳しているだけです。

科学的方法

科学的方法の要素

科学的探究に用いられる基本的な方法の概要については、さまざまな方法がある。科学界と科学哲学者は、一般に、方法の構成要素を次のように分類することに同意している。これらの方法論的要素や手順の構成は、社会科学よりも実験科学に特徴的である傾向がある。それでも、仮説を立て、結果を検証・分析し、新たな仮説を立てるというサイクルは、以下に述べるサイクルと類似しているだろう。

科学的方法は、情報が継続的に修正される反復的、循環的なプロセスである。一般に、科学的方法は、次のような要素を、さまざまな組み合わせや貢献によって、知識の進歩をもたらすと考えられている。

• 特性評価（調査対象の観察、定義、測定）

• 仮説（対象物の観察・測定結果を理論的、仮説的に説明すること）

• 予測（仮説や理論からの帰納的・演繹的な推論）

• 実験（上記すべてのテスト）

科学的方法の各要素は、間違いの可能性があるため、査読の対象となる。これらの活動は、科学者が行うことのすべてを記述しているわけではなく、主に実験科学（物理学、化学、生物学、心理学など）に適用される。上記の要素は、しばしば「科学的方法」として教育システムで教えられている。

科学的方法は単一のレシピではない。知性、想像力、創造性が必要である。その意味で、科学的方法は、無心に従うべき基準や手順ではなく、より有用で正確、かつ包括的なモデルや方法を常に開発し続ける、継続的なサイクルであると言える。例えば、アインシュタインが「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」を開発したとき、彼はニュートンの「プリンキピア」に何ら反論したり割り引いたりすることはしなかった。それどころか、アインシュタインの理論から、天文学的に巨大なもの、羽毛のように軽いもの、極めて速いもの、つまりニュートンが観測できなかったすべての現象を取り除いたとしても、ニュートンの方程式が残るのである。アインシュタインの理論は、ニュートンの理論の拡張と改良であり、したがってニュートンの研究に対する信頼性を高めている。

上記の4つのポイントを反復し、実用的なスキームで進めることが、ガイドラインとして提示されることもある。

1. 問題を定義する

2. 情報・資源を集める（観察する）

3. 説明仮説を立てる

4. 実験を行い、再現性のある方法でデータを収集することで、仮説を検証する

5. データを分析する

6. データを解釈し、新たな仮説の出発点となる結論を導き出す

7. 結果を公表する

8. 再試験（他の科学者が頻繁に行う）

この段階的方式に固有の反復サイクルは、3から6へ、そして再び3へと戻る。

この図式は典型的な仮説と検証の方法を概説しているが、ポール・ファイヤアーベントを含む多くの哲学者、歴史家、科学社会学者は、このような科学的方法の記述は、実際に科学が実践される方法とはほとんど関係がないと主張している。

特性評価

科学的方法は、調査対象の特徴をより洗練されたものにすることに依存する。(対象は、未解決の問題や未知とも呼ばれる。）例えば、ベンジャミン・フランクリンは、セント・エルモの火（※悪天候時などに船の先端が発行する現象、船乗りの守護聖人、聖エルモに由来する）は電気的なものであると正しく推測したが、これを立証するためには、長い実験と理論の変更が必要である。被験者の適切な特性を求める一方で、注意深く考えることは、いくつかの定義と観察を伴うかもしれない。観察は、しばしば注意深い測定や集計を要求する。

錬金術のような疑似科学と、化学や生物学のような科学との決定的な違いは、関連する量の測定や集計を系統的に注意深く収集することであることが多い。科学的な測定値は通常、表やグラフ、地図にまとめられ、相関や回帰などの統計的操作が行われる。測定は、実験室のような管理された環境で行われることもあれば、星や人間の集団のような多かれ少なかれアクセスできない、あるいは操作できない対象に対して行われることもある。測定には、温度計、分光器、粒子加速器、電圧計などの特殊な科学機器が必要な場合が多く、科学分野の進歩は、通常、これらの機器の発明や改良と密接に関係している。

不確実性

科学的な作業における測定は、通常、その不確かさの推定を伴っている。不確かさは、多くの場合、目的の量の測定を繰り返し行うことによって推定される。不確実性は、使用される個々の基礎的な量の不確実性を考慮することによっても計算されることがある。特定の時間における国民の数など、物事のカウントも、データ収集の制限に起因する不確実性を有する場合がある。あるいは、カウントは所望の量のサンプルを表すこともあり、使用されるサンプリング方法と採取されたサンプルの数に依存する不確実性を持つ。

定義

測定は、関連する量の運用上の定義を使用することを要求する。つまり、科学的な量は、より曖昧で不正確な、あるいは「理想化された」定義とは異なり、それがどのように測定されるかによって記述または定義される。例えば、電流はアンペア単位で測定されるが、電気化学装置の電極に一定時間内に付着した銀の質量という観点で操作的に定義される場合がある。「質量」の定義は、最終的には、フランスの研究所に保管されている1キログラムの白金イリジウムのような人工物の使用に依存する。

ある用語の科学的定義は、時として自然言語での用法と大きく異なることがある。例えば、質量と重量は一般的な言説では意味が重なるが、力学では異なる意味を持つ。科学的な量は、しばしばその単位によって特徴付けられ、後に研究成果を伝える際に従来の物理的な単位で記述することができる。

新しい理論は、ある用語がこれまで十分に明確に定義されていなかったことに気づいた後に開発されることがある。例えば、アインシュタインの相対性理論に関する最初の論文では、まず同時性と長さを決定する手段を定義している。これらの考え方は、アイザック・ニュートンが「時間、空間、場所、運動は、誰もが知っていることなので、私は定義しない」と言い残し、スキップしてしまった。そして、アインシュタインの論文は、それら（絶対時間や運動から独立した長さ）が近似値であることを証明している。しかし、フランシス・クリックは、ある対象を特徴づけるとき、それが未解明のままでは、何かを定義することは時期尚早であると警告している。クリックは意識の研究において、例えば自由意志を研究するよりも、視覚系における意識を研究する方が簡単であることを発見した。ワトソンとクリックがDNAの構造を先駆的に発見する以前は、遺伝子はもっとよく理解されていなかったのである。

🧬DNAの特性評価

DNAの構造発見の歴史は、科学的方法の要素の典型例である。1950年当時、グレゴール・メンデルの研究に始まる遺伝が数学的に記述されていること、DNAに遺伝情報が含まれていること（オズワルド・アベリーの変形原理）は知られていた。しかし、DNAに遺伝情報（＝遺伝子）が保存される仕組みは不明だった。ケンブリッジ大学のブラッグ研究室の研究者たちは、塩の結晶から始まり、より複雑な物質まで、さまざまな分子のX線回折写真を作成した。化学組成から数十年がかりで集めた手がかりから、DNAの物理的な構造を明らかにすることができると判断し、その手段としてX線画像を用いた。

他の例：水星の歳差運動

特性評価には、何世紀にもわたる長期的かつ広範な研究が必要な場合がある。カルデア（※メソポタミア南東部に広がる沼沢地域）、インド、ペルシャ、ギリシャ、アラビア、ヨーロッパの天文学者が地球の運動を完全に記録するには、数千年にわたる測定が必要でした。ニュートンは、これらの測定結果を運動法則の結果に反映させることができた。しかし、水星軌道の近日点には、ニュートンの運動法則では説明しきれない歳差運動があることを、1859年にルヴェリエが指摘している。水星の歳差運動がニュートンの理論と観測の間で異なっていることは、アインシュタインが一般相対性理論の初期のテストとして思いついたことの1つである。彼の相対論的な計算は、ニュートン理論よりもはるかに密接に観測と一致した。その差は、1世紀あたり約43アーク秒である。

仮説の展開

仮説とは、ある現象を説明するための提案であり、あるいは、一連の現象間または現象間の可能な相関関係を示唆する理由付けされた提案である。

通常、仮説は数学的モデルの形式を持つ。また、常にではないが、研究対象の現象のある特定の実例が何らかの特性を持つことを述べる実存的記述や、現象のすべての実例が特定の特性を持つことを述べる普遍的記述の一般的な形式を持つ因果的説明として定式化されることもある。

科学者は、自分の創造性、他分野からのアイデア、帰納的推論、ベイズ推論など、持っているあらゆる資源を使って、研究中の現象に対する説明の可能性を自由に想像することができる。アルベルト・アインシュタインは、「現象とその理論的原理との間には、論理的な橋はない」と言った。チャールズ・サンダース・パースは、アリストテレス（『分析論前書』2.25）の言葉を借りて、もっともらしい推測を思いつくための「疑いの刺激」によって引き起こされる探究の初期段階を、アブダクティヴな推論（※演繹法と帰納法に次ぐ第三の推論方法）と表現した。  科学の歴史には、科学者が「ひらめいた」「直感した」といって、その考えを支持したり反論したりする証拠を探す気になったという話がたくさんある。マイケル・ポランニーは、そのような創造性を方法論の議論の中心に据えた。

ウィリアム・グレンは次のように観察している。

一般に、科学者は「エレガント」「ビューティフル」な理論を求める傾向がある。科学者は、既知の事実に沿った理論でありながら、比較的単純で扱いやすい理論を指す言葉として、これらの言葉をよく使う。オッカムの剃刀は、同じように説明できる仮説群の中から最も望ましいものを選ぶための経験則として機能する。

また、一つの仮説にこだわることで生じる確証バイアスを最小限に抑えるため、強い推論では、複数の対立仮説を検討する必要性を強調する。

🧬DNAの仮説

ライナス・ポーリングは、DNAが三重螺旋である可能性を提唱した。この仮説は、フランシス・クリックとジェームズ・D・ワトソンも検討したが、破棄された。ワトソンとクリックはポーリングの仮説を知ったとき、既存のデータからポーリングが間違っていることを理解し、ポーリングはすぐにその構造についての困難を認めるだろうと思った。そこで、正しい構造を解明するための競争が始まった（ただし、ポーリングはその時、自分が競争をしていることに気づいていなかった）。

仮説からの予測

有用な仮説は、演繹的推論を含む推論によって、予測を可能にする。実験室での実験結果や、自然界における現象の観察結果を予測することができる。予測は統計的なもので、確率だけを扱うこともできる。

このような予測をテストした結果が現在未知であることが不可欠である。この場合のみ、結果が成功すれば、仮説が真である確率が高まる。結果がすでに知られている場合は、それは結果と呼ばれ、仮説を立てる際にすでに考慮されていたはずである。

もし、その予測が観察や経験によってアクセスできないのであれば、その仮説はまだ検証可能ではないので、厳密な意味ではその限りにおいて非科学的であり続けることになる。新しい技術や理論によって、必要な実験が可能になるかもしれない。例えば、他の知的生命体の存在に関する仮説は、科学的根拠に基づく推測で説得力があるかもしれないが、この仮説を検証できる実験は知られていない。したがって、その可能性については、科学そのものがほとんど語ることができない。しかし、将来的には、新しい技術によって実験が可能になり、その仮説は科学として認められるようになるかもしれない。

🧬DNAの予測

ジェームズ・D・ワトソン、フランシス・クリックらは、DNAが螺旋構造を持っているという仮説を立てた。このことは、DNAのX線回折パターンが「X字型」になることを意味していた。この予測は、コクラン、クリック、ヴァンド（そして独立してストークスも）の研究成果から導かれたものである。コクラン＝クリック＝ヴァンド＝ストークスの定理は、螺旋構造からの回折がX字型のパターンを生成するという経験的観測を数学的に説明するものだった。

ワトソンとクリックは、最初の論文で、自分たちが提案した二重螺旋構造がDNA複製の簡単なメカニズムを提供することを指摘し、「私たちが仮定した特定の組み合わせが、直ちに遺伝物質の複製メカニズムの可能性を示唆していることに、私たちは気づかなかったわけではない」と書いている。

他の例：一般相対性理論

アインシュタインの一般相対性理論は、重力場の中で光が曲がること、曲がる量が重力場の強さに正確に依存することなど、観測可能な時空の構造についていくつかの具体的な予測を行った。1919年の日食の際にアーサー・エディントンが行った観測は、ニュートン流の重力ではなく、一般相対性理論を支持するものだった。

実験

いったん予測が立てば、それを実験によって求めることができる。実験結果が予測に反する場合、それを内包していた仮説は疑問視され、説得力を失ってしまう。肝心の実験と比較すると、実験のやり方が誤っていたり、あまりうまく設計されていなかったりすることもある。実験結果が予測を裏付けるものであれば、仮説は正しい可能性が高いと考えられるが、まだ間違っている可能性もあり、さらなる検証を続けることになる。実験統制は、観察誤差に対処するための手法である。この技法は、複数のサンプル、あるいは観察、あるいは集団を、条件を変えて対比させ、何が変化するか、あるいは何が変わらないかを見るものである。測定行為の条件を変えることで、何が変化したのかを切り分けることができる。そして、ミルの方法は、重要な要因が何であるかを把握するのに役立つ。因子分析は、ある効果における重要な因子を発見するための一つの手法である。

予測によって、実験はさまざまな形をとることができる。実験室での古典的な実験であったり、二重盲検法（※医学の試験・研究で薬や治療法などの性質を医師からも患者からも不明にして行う方法）であったり、考古学的な発掘調査であったりする。ニューヨークからパリまで飛行機で移動することさえも、飛行機を作るために使われた空気力学的な仮説を検証する実験なのである。

科学者は、実験する側にもオープンな姿勢と説明責任を求める。実験結果の記録と報告を支援するために、詳細な記録管理が不可欠であり、手順の有効性と完全性をサポートする。また、実験結果を他の人が再現する際にも役に立つ。ヒッパルコス（紀元前190-120年）が地球の歳差運動の値を決定したときに、このアプローチの痕跡を見ることができ、コントロールされた実験はアル＝バッターニー（853-929年）とアルハゼン（965-1039年）の作品に見ることができる。

🧬DNAの実験

ワトソンとクリックは、ロンドン大学キングス・カレッジのロザリンド・フランクリン、モーリス・ウィルキンス、レイモンド・ゴスリングに、DNAの構造に関する最初の（そして誤った）提案を見せた。フランクリンはすぐに、水分量に関係する欠点を見破った。その後、ワトソンは、フランクリンのX線回折の詳細な画像を見て、X字型であることを確認し、その構造が螺旋状であることを確認することができた。このことが、ワトソンとクリックの模型作りを再燃させ、正しい構造を導き出すことになった。

評価と改善

科学的方法は、繰り返し行われるものである。どの段階でも、その正確さと精度を高めることが可能であり、何らかの考察によって、科学者はプロセスの以前の部分を繰り返すことになる。興味深い仮説が立てられなかった場合、科学者は検討中の対象を再定義することになるかもしれない。興味深い、検証可能な予測を生み出す仮説に失敗すると、仮説や対象の定義を再考することになる場合がある。実験がうまくいかず、興味深い結果が得られなかった場合、科学者は実験方法、仮説、あるいは対象の定義について再考することになるかもしれない。

1027年、アルハゼンは光の屈折の測定に基づき、宇宙空間は空気よりも密度が低い、つまり、「天の本体は空気よりも密度が低い」と推論することができた。1079年、イブン・ムアドの『黄昏に関する論考』は、太陽の光に対する大気の屈折率から、地球の大気の厚さが50マイルであると推論することができた。

他の科学者が自分の研究を始め、どの段階からでもプロセスに入ることができる。彼らは特徴づけを採用し、独自の仮説を立てるかもしれないし、仮説を採用し、独自の予測を推論するかもしれない。多くの場合、実験を行うのはその予測をした人ではなく、他の人が行った実験に基づいて特徴づけを行う。公開された実験結果も、自らの再現性を予測する仮説となり得る。

🧬DNAの反復

ワトソンとクリックは、DNAを構成するヌクレオチドの物理的形状を具体的にモデル化することで、DNAの本質的な構造を推測することに成功した。その際、ライナス・ポーリングが導き出した結合長と、ロザリンド・フランクリンのX線回折像に導かれた。

確認

科学は社会的な事業であり、科学的な研究は、それが確認されたときに科学コミュニティに受け入れられる傾向がある。重要なのは、実験や理論の結果が、科学界の他の人々によって再現されることである。ゲオルク・ヴィルヘルム・リッチマンは、1752年にベンジャミン・フランクリンが行った凧揚げの実験を再現しようとして、球状の雷に打たれて死亡した（1753年）というように、このビジョンのために研究者は命をかけている。

悪質な科学や不正なデータから守るため、アメリカ国立科学財団などの政府研究助成機関や、『ネイチャー』や『サイエンス』などの科学雑誌は、他の研究者がデータや方法を検証し、過去の研究の上に成り立つように、研究者はデータや方法をアーカイブしなければならないという方針をとっている。科学データのアーカイブは、アメリカ国内のいくつかの国立アーカイブやワールドデータセンターで行うことができる。

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最後に

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