科学的方法とは何か③科学的探究とそのモデル

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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

科学的探究

科学的探究は、一般に、科学者が将来の実験結果を予測するために使用できる、検証可能な説明という形で知識を得ることを目的としている。これにより、科学者は研究対象であるテーマについてより深く理解することができ、後にその理解を使って原因メカニズムに介入することができる（病気を治すなど）。説明の予測能力が高ければ高いほど、その説明の有用性は高まり、他の説明よりも優れた証拠を説明し続けることができるようになる。最も成功した説明、つまり、さまざまな状況において説明し、正確な予測をする説明は、しばしば科学理論と呼ばれる。

理論的な科学的理解の向上は、通常、時間をかけて、時には科学の異なる領域にわたって、徐々に発展するプロセスからもたらされる。科学的モデルは、実験的にどの程度の範囲、どの程度の期間検証されたか、また、科学界でどの程度受け入れられているかによって異なる。一般に、あるテーマについて証拠が蓄積され、問題の説明がその証拠を説明する上で対立仮説よりも強力であることが証明されると、説明は時間の経過とともに受け入れられるようになる。多くの場合、後続の研究者は、時間の経過とともに説明を再形成したり、説明を組み合わせて新しい説明を作り出したりする。

トウは、科学的方法を、科学技術に適用される進化的アルゴリズムという観点から捉えている。

科学的探究の特性

科学的知識は経験的な知見と密接に結びついており、新たな実験的観察が発見された内容と相容れない場合、反証の対象となり得るのである。つまり、どのような理論も最終的なものであるとは言えない。そのような証拠が発見された場合、新しい理論が提案されることもあれば、（より一般的には）以前の理論を修正することで新しい証拠を説明するのに十分であることが判明することもある。理論の強さは、その核となる原理が大きく変化することなく、どれだけの期間存続してきたかに関係する。

理論は、他の理論に包含されることもある。例えば、ニュートンの法則は、数千年にわたる惑星に関する科学的観測をほぼ完璧に説明することができた。しかし、この法則は、より一般的な理論（相対性理論）の特殊なケースであることが判明し、ニュートンの法則の（それまで説明できなかった）例外を説明し、重力による光の偏向などの他の観測結果を予測・説明することができるようになった。このように、ある種のケースでは、独立した、つながりのない科学的観察が、説明力を高める原理によって統一され、つながることがある。

新しい理論は、それ以前の理論よりも包括的で、それ以前の理論よりも多くのことを説明できるかもしれないので、後継の理論は、その前任者よりも多くの観察結果を説明することで、より高い基準を満たすことができるかもしれない。例えば、進化論は、地球上の生命の多様性、種が環境に適応する方法、その他自然界で観察される多くのパターンを説明するもので、その最も最近の大きな修正は、遺伝学と統合して現代の進化論的統合を形成した。その後の修正で、生化学や分子生物学のような他の多くの分野の側面も包含するようになった。

信念とバイアス

科学的方法論は、可能な限り制御された条件下で仮説を検証することを指示することが多い。これは、生物科学のようなある分野では頻繁に可能であるが、天文学のような他の分野ではより困難である。

実験制御と再現性の実践は、状況や、ある程度は個人的なバイアスが及ぼす潜在的な有害性を減少させる効果がある。例えば、確証バイアスのように、既存の信念が結果の解釈を変えることがある。これは、特定の信念を持つ人が、他の観察者が反対しても、自分の信念を補強するように物事を見るように導く発見的なものである（言い換えれば、人は自分が観察すると予想するものを観察する傾向がある）。

歴史的な例として、疾走する馬の脚は、馬の脚が1本も地面につかない時点で広がっていると信じられており、このイメージを支持する人々によって絵画に描かれるほどであった。しかし、エドワード・マイブリッジが初めて馬の疾走をストップアクションで撮影した結果、これは誤りであり、脚はまとまっていることが判明した。

もう一つ重要な役割を果たす人間のバイアスは、新しくて驚くような発言を好むことである（※新しさへのアピール）、その結果、新しいことが真実であるという証拠を探してしまうことがある。証明の乏しい信念は、あまり厳密でないヒューリスティックによって信じられ、行動されることがある。

ゴールドハーバーとニエトは2010年に、「密接に隣接する多くの主題を持つ理論構造を、理論概念の接続によって記述すると、その理論構造は、覆すことがますます難しく（決して不可能ではないが）、頑強さを獲得する」という見解を発表した。物語が構築されると、その要素は信じやすくなる。

ルドヴィック・フレック（1979）は、「言葉やアイデアは、もともと、それらと重なる体験の音声的・精神的等価物である。・・・そのような原始的なアイデアは、最初は常に広すぎて、十分に専門化されていない。・・・多くの細部と関係からなる構造的に完全で閉鎖的な意見体系が形成されると、それに反するものに対して永続的な抵抗力を持つようになる」。このような関係は、その要素が先験的に想定されていたり、最終的にそれを生み出すプロセスに何らかの論理的、方法論的な欠陥が含まれていることもある。ドナルド・マッケイは、これらの要素を測定精度の限界という観点から分析し、測定のカテゴリーにおける道具的要素に関連付けた。

科学的探究のモデル

古典的モデル

科学的探求の古典的モデルはアリストテレスに由来し、彼は近似推論と厳密推論を区別し、アブダクティヴな推論、演繹的推論、帰納的推論の3つの方式を示し、さらに類推による推論のような複合的形態も扱った。

仮説演繹モデル

仮説演繹モデルまたは方法は、科学的方法の記述として提案されているものである。ここでは、仮説からの予測が中心となっている。仮説が真実であると仮定した場合、どのような結果が生じるか？

もし、その後の経験的な調査が、これらの結果や予測が観察可能な世界に対応することを実証しないなら、その仮説は誤りであると結論づけられる。

プラグマティックなモデル

1877年、チャールズ・サンダース・パース（1839-1914）は、一般的な探究を、真理の追求そのものではなく、驚きや意見の相違などから生まれる刺激的で抑制的な疑念から脱却し、確実な信念に到達するための闘いとして特徴づけた（信念とは、それに基づいて行動する準備ができたもの）。彼は、科学的な探求をより広い範囲の一部とし、一般的な探求と同様に、単なる言葉や大げさな疑いではなく、実際の疑いによって駆り立てられるものであるとした。彼は、意見をまとめるための4つの方法を、最も成功率の低いものから順に説明した。

1. 固執の方法（最初の信念を貫く方針）：快適さと決断力をもたらすが、まるで真実が公共ではなく私的なものであるかのように、反対情報や他人の意見を無視しようとすることになる。これは社会的な衝動に反し、簡単に挫折する。なぜなら、他の人の意見が自分の最初の意見と同じくらい良いものであれば、人はよく気がつくからである。その成功は輝くこともあるが、一過性のものになりがちである。

2. 権威の方法：それは意見の相違を克服するものだが、時には残酷なものである。その成功は堂々たるものであり、長く続くものであるが、特に人々が他の社会の現在と過去を知ったとき、疑念をいつまでも抑えられるほど徹底的に運用することはできない。

3. 先験的方法：より残酷に適合を促すものではないが、「理性にかなうもの」という観点から、会話や視点の比較の中で生まれる、嗜好品のようなものとして意見を育てるものである。そのため、パラダイムの流行に左右され、時間の経過とともに堂々巡りになってしまう。より知的で立派な方法だが、最初の2つの方法と同様に、偶発的で気まぐれな信念を維持するため、それを疑う心を持つ人もいる。

4. 科学的方法：探究が自らを誤りやすいと考え、意図的に自らをテストし、批判し、修正し、改善する方法である。

また、科学的方法は理論的な研究に最も適しており、他の方法や実用的な目的によって妨げられることがあってはならない。理性の「第一法則」は、学ぶためには学ぶことを望まなければならず、その付随として、探求の道を妨げてはならない、というものである。科学的方法は、最終的に最も確実な信念に到達するように意図的に設計されているため、他の方法よりも優れており、その信念に基づいて最も成功する実践を行うことができる。人は真理そのものを求めるのではなく、刺激的で抑制的な疑念を鎮めるために真理を求めるという考えから出発したパースは、闘争を通じて、信念の完全性のために真理に従うようになり、与えられた目標に正しく向かう潜在的な実践を導くことを真理として求め、科学方法に身を任せるようになることを示した。

理性的な探究は、真理と実在に関する前提を意味する。理性的な探究とは、理性者の自己規制の原理として、実在が発見可能であり、我々の意見の気まぐれから独立していることを前提にする（そして少なくとも期待する）ことである。この脈絡で、彼は真理を記号（特に命題）とその対象との対応として定義し、プラグマティックに、ある明確で有限な共同体の実際のコンセンサス（問い合わせることは専門家に投票することになる）ではなく、代わりに、すべての調査者が遅かれ早かれ到達するであろう、しかし、調査を十分に推進すれば、たとえ彼らが異なる地点から開始しても、必然的に到達する最終的な意見としている。同時に彼は、実在とは、真の記号の対象（その対象が可能性や質であれ、実在や厳然たる事実であれ、必然や規範や法則であれ）であり、それはいかなる有限の共同体の意見にも依存せず、実際的に、十分な調査において運命づけられた最終意見にのみ依存するものと定義した。それは、あなたや私、あるいは与えられた有限の共同体にとって、真理そのものと同じくらい遠く、あるいは近くにある目的地である。したがって、彼の探究の理論は、「科学を行う」に帰結する。これらの真理と実在の概念は、明確な限界を持たない（したがって、必要な限り自己修正する可能性がある）共同体と、明確な知識の増大が可能な共同体の両方の考えを含んでいる。論理は、ある意味で無限である立場に依存するため、推論として「社会原理に根ざしている」のである。

説明の生成に特別な注意を払いながら、パースは、科学的方法を、疑念の解消を目的とした意図的なサイクルにおける3種類の推論の協調として、次のように概説した（特記する場合を除き『無視された議論』中にある）。

①　アブダクション（またはレトロダクション）：説明仮説を推測し、試す価値のあるものを選択するための推論。パースは、帰納法とは、テストに基づいて、仮説に含まれる真実の割合を推論することであると区別している。すべての探究は、思想、粗雑な事実、規範と法則のいずれであっても、これらの領域の1つ以上における驚くべき観察から生じる（例えば、すでに進行中の探究のどの段階においても）。理論の説明内容はすべてアブダクションから生まれる。アブダクションとは、驚くべき、あるいは複雑な現象を単純で経済的な方法で説明するために、新しい、あるいは外部の考えを推測することである。よくあることだが、よく準備された頭脳でさえも、間違った推測をすることがある。特に、最良の推測が、ガリレオの理性の自然光によるように、「論理的な単純さ」とは異なる、「簡単で自然な」という意味で、最適にもっともらしく、単純である限りにおいて、パースは、発達した、あるいは内在する本能による自然への同調から生まれたように思える。アブダクションは、推論の最も豊かな方法であるが、最も安全性の低い方法である。その一般的な根拠は帰納法である。それは十分に成功することが多く、それなしには、新しい真理に向けた探究（しばしば何世代にもわたる）を十分に促進する望みはないのである。協調的方法は、もっともらしい仮説を生み出すことから、その検証可能性を判断し、その試みがいかに探究そのものを節約するかを判断することにつながる。パースは自身のプラグマティズムを「アブダクションの論理」と呼んでいる。彼のプラグマティックな格言は、「あなたの観念の対象が持つ、実用的なベアリングを持つかもしれないと考えられる効果が何であるかを考えてみる。そして、それらの効果に関するあなたの観念が、その対象に関するあなたの観念のすべてである」。彼のプラグマティズムは、あらゆる観念の意味を、その対象が持つ観念上の効果の考えられる実際的な意味合いと等しくすることによって、概念の混乱を実りあるものにする方法であり、仮説の形成に適した実験的精神反省の方法であり、それを検証することに資するものである。それは効率的である。仮説は、不安定であるがゆえに、少なくとも精神的なテストにつながる実用的な意味合いを持つ必要があり、科学においては、科学的なテストにつながるものでなければならない。単純だがありそうもない推測は、虚偽を検証するコストがかからないのであれば、検証の第一関門に属するかもしれない。主観的な可能性は、理由があっても、誤解を招くような魅惑的なものである可能性がある一方で、直感的な説得力、あるいは理性的な客観的確率を持つ推測は、本質的にテストする価値がある。推測は、その慎重さ（パースが「20の質問」ゲームを例に挙げた）、広さ、複雑さなどから、戦略的に試行するために選択することができる。研究の経済性こそが、いわばアブダクションの飛躍を要求し、その技術を支配するものなのである。

②　演繹法、2段階ある。
（1）解明：仮説の部分をできるだけ明確にするために、前提は不明確だが、演繹的に分析する。
（2）実証： 演繹的な論証、ユークリッド的な手順。仮説の結果を予測として明示的に演繹し、帰納的に検証し、発見される証拠について説明する。系的、あるいは必要であれば理論的。

③　帰納法、帰納法の長期的な有効性は、（一般に推論の前提となっている）「実在とは、十分な調査が導く最終的な意見の対象だけであり、そのようなプロセスが決して導かないものは実在ではない」という原則から導かれる。継続的なテストや観察を伴う帰納法は、十分に継続することで、その誤差をあらかじめ指定された程度以下に減少させる方法に従う。3つの段階がある。
（1）分類：前提が不明確だが、帰納的に、経験の対象を一般的な考え方の下に分類する。
（2）試論：直接的な帰納的論証。粗野（事例の列挙）または漸進的（各試験の後に仮説の真実の割合を新たに推定する）。漸進的帰納法は、質的または量的である。質的であれば、資質や性格の重み付けに依存し、量的であれば、測定、統計、カウントに依存する。
（3）文章による帰納法：「・・・帰納的な推論によって、さまざまな試論を単独で評価し、次にそれらの組み合わせを評価し、次にこれらの評価そのものを自己評価し、全体の結果について最終判断を下す」。

不変の説明

2009年のTEDトークで、ドイチュは科学的説明の基準として、不変を定式化することを説いた。「［明白な変化、新しい情報、予期せぬ状況に直面しても］不変のままである説明を［公にして、後で他の人が日付と検証を行えるように］述べる。」

「悪い説明は、変化しやすい」
「変化しにくい説明の探求は、すべての進歩の原点である」
「真実が現実に関する変化しにくい主張で構成されていることは、物理世界に関する最も重要な事実である」

現実を科学的に説明するための基本的な側面としての不変性は、長い間、科学哲学の一部であった。 例えば、フリーデル・ヴァイナートの著書『哲学者としての科学者』（2004年）は1900年頃からの多くの著作、アンリ・ポアンカレ（1902年）、エルンスト・カッシーラー（1920年）、マックス・ボルン（1949年・1953年）、ポール・ディラック（1958年）、オリヴィエ・コスタ・デ・ボールガール（1966年）、ユージン・ウィグナー（1967年）、ローレンス・スクラー（1974年）、マイケル・フリードマン（1983年）、ジョン・D・ノートン（1992年）、ニコラス・マクスウェル（1993年）、アラン・クック（1994年）、アリスター・キャメロン・クロンビー（1994年）、マーガレット・モリソン（1995年）、リチャード・フェインマン（1997年）、ロバート・ノージック（2001年）、ティム・モードリン（2002年）の著作に見られるように、このテーマが存在することを指摘している。

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