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実験研究 の歴史は長く、多岐にわたる。実際、実験の定義自体も、特定の研究分野における規範や慣習の変化に応じて変化してきた。本稿では、ガリレオによる重力の研究に端を発する実験研究の歴史と発展を、今日用いられている多様な応用方法に至るまで概説する。
アラブの物理学者イブン・アル＝ハイサム（アルハゼン）は、実験を用いて著書『光学の書』（1021年）の結果を導き出した。彼は観察、実験、そして論理的な議論を組み合わせて、光線は目からではなく物体から放出されるという、自身の視覚の侵入説を支持した。彼は同様の議論を用いて、プトレマイオスやユークリッドが支持した古代の視覚の放出説（目が視覚に用いる光線を放出する）と、アリストテレスが支持した古代の侵入説（物体が目に物理的な粒子を放出する）の両方が誤りであることを示した。[ 2 ]
実験的証拠は彼の『光学の書』の命題のほとんどを裏付け、視覚、光、色の理論、および反射光学と屈折光学の研究の基礎となった。彼の遺産は、カマル・アルディン・アルファリシ（1320年頃没）による『光学の書』の「改革」によって発展し、後者の『キタブ・タンキフ・アルマナジル』（[イブン・アルハイサムの]光学の改訂）にまとめられた。[ 3 ] [ 4 ]
アルハゼンは自身の科学的研究を真理の探求と捉えていた。「真理はそれ自体のために求められる。そして、何かをそれ自体のために探求する者は、他のことには興味を持たない。真理を見つけるのは難しく、その道は険しい。… [ 5 ]
アルハゼンの研究には、「光は透明な物体を直線でしか通過しない」という推測が含まれており、彼は長年の努力の末にようやくそれを裏付けることができた。彼は次のように述べている。「これは、暗い部屋に穴から入ってくる光で明らかに観察される。…入ってくる光は、空気中を満たす塵の中ではっきりと観察できるだろう。」[ 1 ]彼はまた、まっすぐな棒やピンと張った糸を光線のそばに置くことで、この推測を実証した。[ 6 ]
イブン・アル＝ハイサムは科学的懐疑主義を採用し、経験主義の役割を強調し、三段論法における帰納の役割を説明した。彼は、帰納法への貢献が乏しいとしてアリストテレスを批判するに至った。イブン・アル＝ハイサムは、帰納法は三段論法よりも優れているだけでなく、真の科学的研究の基本要件であると考えていた。[ 7 ]
オッカムの剃刀のようなものは『光学の書』にも見られる。例えば、光は発光体によって生成され、目に放出または反射されることを証明した後、彼は「 （視覚）光線の放出は不要で役に立たない」と述べている。[ 8 ]彼はまた、実証主義的なアプローチを採用した最初の科学者だったかもしれない。彼は「我々は経験を超えてはならないし、自然現象を調査する際に純粋な概念を用いるだけでは満足できない」と書き、これらの理解は数学なしには得られないと述べている。光は物質であると仮定した後、彼はその性質についてそれ以上議論せず、調査を光の拡散と伝播に限定している。彼が考慮に入れた光の性質は、幾何学で扱うことができ、実験で検証できるものだけである。[ 9 ]
ロジャー・ベーコンが『オプス・マユス』の中で「理性によって与えられた理論は、感覚データによって検証され、機器によって助けられ、信頼できる証人によって裏付けられるべきである」と主張したこと[ 10 ]は、「記録に残る科学的方法の最初の重要な定式化の1つ」とみなされていた（そして今もみなされている）。[ 11 ]
科学者ガリレオ・ガリレイは、多くのテーマについて定量的な実験を行った。ガリレオは、いくつかの異なる方法を用いて、時間を正確に測定することができた。それまで、ほとんどの科学者は、ユークリッド以来使用され信頼されてきた幾何学を適用して、落下する物体を記述するために距離を使用していた。[ 12 ]ガリレオ自身も、結果を表現するために幾何学的方法を使用した。ガリレオの成功は、新しい数学の発展と、巧妙に設計された実験と装置によって助けられた。当時、別の種類の数学、代数学が発展していた。代数学によって、算術計算は幾何学的計算と同じくらい高度になった。また、代数学によって、ガリレオのような科学者、そして後にアイザック・ニュートン、ジェームズ・クラーク・マクスウェル、アルバート・アインシュタインのような科学者の発見を数学方程式で要約することが可能になった。これらの方程式は、物理的関係を正確かつ自己矛盾のない方法で記述した。
代表的な例の 1 つは「ボールと斜面の実験」です。[ 13 ]この実験でガリレオは斜面と重さの異なる複数の鋼球を使用しました。この設計により、ガリレオは落下運動を遅くし、鋼球が梁の特定の目盛りを通過する時間をかなり正確に記録することができました。[ 14 ] ガリレオは、重さが物体の落下速度に影響するというアリストテレスの主張を否定しました。アリストテレスの落体の理論によれば、重い鋼球は軽い鋼球よりも先に地面に到達します。ガリレオの仮説は、2 つのボールが同時に地面に到達するというものでした。
ガリレオ以外に、当時、物体の落下時間などの短い時間を正確に測定できた人はほとんどいませんでした。ガリレオは、パルシロゴンという振り子を使って時間を測定する機械を作ることで、これらの短い時間を正確に測定しました。[ 15 ]振り子は人間の脈拍に同期していました。彼はこれを使って、重りのついたボールが斜面に付けた目盛りを通過する時間を測定しました。彼の測定では、重さの異なるボールが斜面の底に同時に到達し、移動距離は経過時間の二乗に比例することが分かりました。[ 16 ]後世の科学者たちは、ガリレオの結果を「落体の法則」としてまとめました。[ 17 ] [ 18 ]
これらの結果は、異なる重量の物体であっても、落下中の同じ地点で測定した場合、同じ重力加速度を受けるため、同じ速度で落下するというガリレオの仮説を裏付けるものであった。
近代化学の創始者とされるフランスの化学者アントワーヌ・ラヴォアジエ（1743～1794）の実験は、真に定量的な実験の先駆けとなった。ラヴォアジエは、化学反応において物質の状態は変化するものの、反応開始時と反応終了時の物質の量は変わらないことを示した。ある実験では、リンと硫黄を空気中で燃焼させ、その結果が以前の結論（質量保存の法則）をさらに裏付けるかどうかを確認した。しかし、この実験では、生成物の質量が元のリンと硫黄の質量よりも大きいことが判明した。そこで彼は実験をやり直すことにした。今度は、実験を取り巻く空気の質量も測定した。すると、生成物で増加した質量は空気から失われた質量であることを発見した。これらの実験は、彼の質量保存の法則をさらに裏付けるものとなった。
ラヴォアジエの実験の一つは、呼吸と燃焼の世界を結びつけたものでした。ラヴォアジエの仮説は、燃焼と呼吸は同一のものであり、呼吸のたびに燃焼が起こるというものでした。ピエール＝シモン・ラプラスと共同で、ラヴォアジエは燃焼または呼吸の際に放出される熱量を測定するための氷熱量計装置を設計しました。この装置は3つの同心円状の区画から構成されていました。中央の区画には熱源、この場合はモルモットまたは燃えている木炭が置かれました。中間の区画には、熱源が溶けるための一定量の氷が入れられました。外側の区画には断熱のために圧縮された雪が入れられました。ラヴォアジエは、生きたモルモットをこの装置に閉じ込めて、二酸化炭素の量と発生する熱量を測定しました。また、熱量計の中で木炭を燃やしたときに発生する熱と二酸化炭素の量も測定しました。これらのデータを用いて、呼吸は実際にはゆっくりとした燃焼過程であると結論付けました。さらに、精密な測定によって、これらの過程が同じ比例定数で二酸化炭素と熱を生成することも発見しました。ラヴォアジエは、224 グレインの「固定空気」(CO 2 ) を生成すると、13オンス (370 g)の氷が熱量計で溶けることを発見した。グレインをグラムに変換し、13オンス (370 g)の氷を溶かすのに必要なエネルギーを使用すると、生成された CO 2 1 グラムあたり、ラヴォアジエの熱量計実験では炭素の燃焼または呼吸によって約 2.02 kcal のエネルギーが生成されたことを計算することができる。これは、炭素の現代の発表された燃焼熱2.13 kcal/g とよく一致する。 [ 19 ]ラヴォアジエとラプラスが肺で起こると想定したこの継続的な緩やかな燃焼により、生きている動物は周囲の温度よりも高い体温を維持することができ、動物の熱という不可解な現象を説明できる。[ 20 ] ラヴォアジエは「呼吸は燃焼である」と結論づけた。つまり、呼吸ガスの交換は、ろうそくを燃やすのと同じように燃焼である。
ラヴォアジエは、化学変化に質量保存の法則が適用されるという結論を実験によって初めて導き出した人物である。 [ 21 ]彼の仮説は、化学反応において反応物の質量は生成物の質量と同じであるというものであった。彼はワインの発酵について実験を行い、糖に含まれる水素、酸素、炭素の量を特定した。一定量の糖を計量し、酵母と水を計量して加え、混合物を発酵させた。次に、発酵中に発生した炭酸ガスと水の質量を測定し、残った液体の質量を測定し、その成分を分離して分析し、元素組成を決定した。[ 22 ] このようにして、彼はいくつかの潜在的な交絡因子を制御した。発酵中に発生した炭酸ガスと水蒸気を捕捉することで、最終的な測定値を可能な限り正確にすることができた。ラヴォアジエは、反応物の総質量は最終生成物と残渣の質量に等しいと結論付けた。[ 23 ]さらに、彼は化学変化の前後で各構成要素の総質量が同じままであることを示した。同様に、彼は実験によって燃焼生成物の質量が反応成分の質量に等しいことを実証した。
フランスの生物学者ルイ・パスツール（1822-1895）は、「微生物学と免疫学の父」とみなされ、19 世紀に活躍した。[ 24 ] 彼は、病原体は自然発生的に現れるのではなく、生きているものであり、繁栄し増殖するためには適切な環境が必要であるという考えを提唱し、実験結果でそれを裏付けた。この発見から、彼は実験を用いて鶏コレラ、炭疽、狂犬病のワクチンを開発し、加熱によって一部の食品中の細菌を減らす方法（低温殺菌）を開発した。パスツールの研究はまた、彼が（イギリスの医師ジョセフ・リスター博士とともに）消毒外科技術を提唱することにもつながった。当時の科学者のほとんどは、微生物は非生物から自然発生的に出現すると信じていた。
パスツールは顕微鏡で微小生物を観察したことから、自然発生説に疑問を抱くようになった。彼は、生命が存在しないところから生命が発生することはないという仮説を検証するための実験を考案した。彼は、考えられる交絡因子を制御することに細心の注意を払った。例えば、試験培地として使用する培養液の入ったフラスコには、たとえ微小なものであっても生命が存在しないことを確認する必要があった。彼は、存在する微生物がすべて死滅したと確信できるまで培養液を煮沸することで、既に存在する微小生物をすべて殺すことにした。パスツールはまた、煮沸後に培養液に微小生物が入らないようにする必要があったが、理論を適切に検証するためには培養液を空気にさらす必要があった。同僚は、横向きの「S」字型の首を持つフラスコを提案した。パスツールは、塵（微生物が含まれていると考えていた）は最初のカーブの底に捕捉されるが、空気は自由に通過するだろう。[ 25 ]
したがって、細菌が本当に自然発生するのであれば、数日後にはフラスコ内で増殖しているはずです。自然発生が起こらないのであれば、フラスコの内容物は生命のないままです。実験は決定的なものに見えました。培養液には微生物が1つも現れませんでした。次にパスツールは、微生物を含む塵を培養液と混ぜました。わずか数日で、培養液は数百万の微生物の増殖により濁りました。彼はさらに2年間、さまざまな条件と場所で実験を繰り返し、結果が正しいことを確認しました。このようにしてパスツールは、自然発生は起こらないという仮説を支持しました。[ 26 ]実験結果が彼の仮説を支持し、さまざまな病気を治療または予防することに成功したにもかかわらず、自然発生に関する一般の誤解を正すのは、遅く困難なプロセスであることがわかりました。
パスツールは特定の課題解決に取り組む中で、実験結果に基づいて考えを修正することがあった。例えば、1865年にフランスの蚕産業を壊滅させた病気の原因究明に取り組んだ時がそうだった。1年間の綿密な研究の後、彼は原因となる生物を正しく特定し、蛾の健全な個体群を育成するための実践的なアドバイスを与えた。しかし、彼自身がそのアドバイスを検証したところ、病気は依然として存在していた。彼の考えは正しかったが不完全だったことが判明した。実際には2つの生物が関与していたのだ。完全な解決策を見つけるには、さらに2年間の実験が必要だった。[ 27 ]
「光学の改革において、彼はいわば（この用語が発明される以前に）『実証主義』を採用した。すなわち、我々は経験を超えてはならず、自然現象を研究する際に純粋な概念を用いるだけでは満足できない。これらの理解は数学なしには得られない。したがって、イブン・アル＝ハイサムは光を物質であると仮定した後は、その性質についてそれ以上議論せず、光の伝播と拡散の考察に限定した。彼の光学において、彼が「光の最小単位」と呼ぶものは、幾何学で扱い、実験で検証できる性質のみを保持し、エネルギー以外の感覚的な性質は一切持たない。」
