科学的探究のモデル

科学的探究のモデルには2 つの機能があります。1 つ目は、科学的探究が実際にどのように行われるかを説明すること、2 つ目は、科学的探究がなぜ真の知識に到達するのに成功しているかを説明することです。哲学者ウェズリー C. サルモンは科学的探究について次のように述べています。

科学的知識の探求は、はるか古代にまで遡る。過去のある時点で、少なくともアリストテレスの時代までに、哲学者たちは、2種類の科学的知識、つまり大まかに言えば「それ」に関する知識と「なぜ」に関する知識を根本的に区別する必要があることを認識していた。各惑星が恒星を背景にして定期的に運動方向を反転することを知ることと、「なぜ」を知ることは全く別の問題である。前者のタイプの知識は記述的であり、後者のタイプの知識は説明的である。世界に対する科学的理解をもたらすのは説明的知識である。（Salmon、2006、3ページ）^[1]

全米研究会議（米国）によると、「科学的探究とは、科学者が自然界を研究し、その研究から得られた証拠に基づいて説明を提案する多様な方法を指します。」^[2]

科学的探究の古典的なモデルはアリストテレス^[3]に由来しており、彼は近似推論と厳密な推論の形式を区別し、仮説推論、演繹推論、帰納推論の3つの体系を提示し、類推による推論などの複合形式も扱いました。^[要出典]

ウェズリー・サルモン（1989）^[1]は、科学的説明の歴史的調査を、ヘンペルとオッペンハイムの『説明の論理の研究』 （1948年）から始まり、ヘンペルの『科学的説明の側面』 （1965年）に至るまでの数年間に受け継がれた、いわゆる「受容された見解」から始めました。サルモンは、これらの発展に関する分析を次の表でまとめています。

この分類では、出来事の演繹的法則論的(DN) 説明は、結論で説明される結果が実際に起こったと述べる有効な演繹です。演繹的議論は説明と呼ばれ、その前提は説明対象( L: 説明)、結論は説明対象( L: 説明対象) と呼ばれます。追加の条件の数に応じて、説明は、可能性から真実までのスケールでランク付けされる場合があります。

ただし、科学における説明がすべて DN タイプであるわけではありません。帰納統計(IS) 説明は、カテゴリ法則や普遍法則ではなく、統計法則に事象を包含することによって事象を説明します。包含のモード自体も演繹的ではなく帰納的です。DN タイプは、より一般的な IS タイプの限定的なケースと見なすことができます。前者の場合、確実性の尺度は完全、つまり確率1 ですが、後者の場合、確実性は完全ではなく確率 < 1 です。

この見方では、DN 推論モードは、特定の出来事を説明するために使用されるだけでなく、より一般的な法則から単純に演繹することによって、一般的な規則性を説明するためにも使用できます。

最後に、演繹統計的（DS）タイプの説明は、DNタイプのサブクラスとして適切に考えられており、より包括的な統計法則からの演繹によって統計的規則性を説明します。（Salmon 1989、pp. 8-9）。^[1]

論理的経験主義の観点からの科学的説明についての一般的な見解は、サモンが前世紀の第3四半期に「支配的だった」と述べているものであった（サモン、10ページ）。 ^[1]

歴史の過程で、ある理論が別の理論に取って代わられ、ある理論はさらなる研究を提案したが、他の理論は現象を説明するだけで満足しているようだった。ある理論が別の理論に取って代わった理由は、必ずしも明白または単純ではない。科学哲学には、「良い」理論が満たす基準とは何かという疑問が含まれる。この問題には長い歴史があり、多くの科学者や哲学者が考えてきた。その目的は、認知バイアスを導入することなく、ある理論を他の理論よりも好ましいものとして選択できるようにすることである。^[4]よく提案されるいくつかの基準は、コリバンによって要約されている。^[5]良い理論：

1. 恣意的な要素がほとんど含まれていない（シンプルさ/簡素さ）
2. 既存のすべての観察に同意し、それを説明する（統一的／説明力）、そして、それが裏付けられない場合には理論を反証または偽造できる将来の観察についての詳細な予測を行う。
3. 実り多いものであり、コリヴァンは予測と反証だけでなく、将来の研究を示唆する理論の重要性にも重点を置いている。
4. エレガントです（形式的なエレガントさ、アドホックな変更なし）。

スティーブン・ホーキングは1、2、4を支持したが、実り多さについては言及しなかった。^[6]一方、クーンは生殖能力の重要性を強調している。^[7]

ここでの目標は、理論の選択を恣意的でないものにすることです。とはいえ、これらの基準には主観的な要素が含まれており、科学的方法の一部というよりはヒューリスティックです。^[8]また、このような基準は必ずしも代替理論を決定するものではありません。バードの言葉を引用します。^[9]

「それら（そのような基準）は科学的な選択を決定することはできません。第一に、理論のどの特徴がこれらの基準を満たすかは議論の余地があるかもしれません（例えば、単純さは理論の存在論的コミットメントに関係するのか、それともその数学的形式に関係するのか？）。第二に、これらの基準は不正確であるため、それらがどの程度当てはまるかについて意見の相違が生じる可能性があります。第三に、特にそれらが矛盾する場合、それらを互いに相対的にどのように重み付けするかについて意見の相違が生じる可能性があります。」

— アレクサンダー・バード『方法論的通約不可能性』

既存の科学理論がこれらすべての基準を満たしているかどうかも議論の余地があり、これらの基準は未だ達成されていない目標を表している可能性がある。例えば、すべての既存の観察に対する説明力（基準3）は、現時点ではどの理論も満たしていない。^[10]

科学者の究極の目標が何であろうと、現在行われている科学は、世界についての複数の重なり合う記述に依存しており、それぞれの記述には適用領域がある。場合によっては、この領域は非常に広いが、他の場合には非常に狭い。^[11]

—  EB デイヴィス『認識論的多元主義』4 ページ

「良い」理論の要件は何世紀にもわたって議論されてきたが、それはおそらくオッカムの剃刀^[12]よりもさらに古い時代まで遡る。オッカムの剃刀はリストの最初の項目である「優雅さ」の範疇に入るかもしれないが、アルバート・アインシュタインは、その適用に熱心すぎると警告した。「すべては可能な限り単純にすべきだが、単純すぎるべきではない」 [13] 倹約と優雅さは「典型的には異なる方向に引っ張られる」と議論の余地がある。 [14] リストの反証可能性の^項目は、占星術のよう^な 理論と科学的理論を区別するものとしてポッパーが提案した基準に関連している。どちらも観察を「説明」するが、科学的理論はそれが正しいか間違っているかを決定する予測を行うリスクを負う。^{[15] [16]}

「経験的な科学体系は経験によって反駁されることが可能でなければならない。」

「我々の中で、自分の考えを反証される危険にさらすことを望まない者は、科学のゲームに参加していない。」

— カール・ポパー『科学的発見の論理』p. 18 および p. 280

トーマス・クーンは、科学者の現実観の変化は主観的な要素を含むだけでなく、集団ダイナミクス、つまり科学的実践における「革命」から生じ、パラダイムシフトをもたらすと主張した。^[17]例として、クーンは、太陽中心の「コペルニクス的転回」がプトレマイオスの天動説に取って代わったのは、経験的な失敗のためではなく、科学者が目標を追求するためのより実りある方法だと感じたものを制御する新しい「パラダイム」のためであると示唆した。

演繹的推論と帰納的推論はアプローチがかなり異なります。

演繹的推論は、証明または論理的含意の推論です。これは、数学や形式論理などの他の公理系で使用される論理です。演繹システムでは、証明されていない公理(公理) があります。実際、それらは循環性なしでは証明できません。循環性なしでは定義できないため、定義されていない基本用語もあります。たとえば、線を点の集合として定義できますが、2 本の線の交点として点を定義すると循環的になります。形式システムのこれらの興味深い特性のため、バートランド ラッセルは、数学を「私たちが何について話しているのか、また、私たちが言っていることが真実であるかどうかがわからない分野」と冗談めかして呼びました。すべての定理と系は、以前に開発された公理と他の定理の含意を調査することによって証明されます。新しい用語は、基本用語と、それらの基本用語に基づく他の派生定義を使用して定義されます。

演繹システムでは、定理に適用する場合、「証明」という用語を正しく使用できます。定理が証明されていると言うことは、公理が真であり、定理が偽であるということは不可能であることを意味します。たとえば、次のような 簡単な三段論法を行うことができます。

1. アーチーズ国立公園はユタ州内にあります。
2. 私はアーチーズ国立公園に立っています。
3. したがって、私はユタ州に立っています。

アーチーズにいてユタ州にいないということはあり得ないことに注目してください (すべての自明な適格基準が満たされていると仮定した場合)。ただし、アーチーズ国立公園にいながらユタ州にいることは可能です。この含意は一方向にしか機能しません。ステートメント (1) と (2) を合わせるとステートメント (3) が示唆されます。ステートメント (3) はステートメント (1) または (2) について何も示唆しません。ステートメント (3) を証明したわけではありませんが、ステートメント (1) と (2) を合わせるとステートメント (3) が示唆されることは示しました。数学では、証明されるのは特定の定理が真実であることではなく、システムの公理が定理を示唆することです。言い換えると、公理が真実で定理が偽であることはあり得ません。演繹システムの長所は、結果が確実であることです。短所は、残念ながら物理世界から一歩離れた抽象的な概念であることです。しかし、数学は自然現象の有用なモデルを提供することで自然科学に大きな洞察をもたらしており、非常に有用です。その結果、人類に利益をもたらす製品やプロセスが開発されました。

物理世界について学ぶには、帰納的推論がしばしば用いられます。帰納的推論は、科学や犯罪現場の捜査などの事業で役立ちます。特定の観察を一通り行い、それらの観察に基づいて一般原則を作ろうとします。この一般原則は、実験を繰り返すか、またはわずかに異なる状況からさらに観察を行うことで自然に得られる他の特定の観察を指摘します。予測された観察が正しい場合、正しい方向に進んでいる可能性があります。ただし、一般原則は証明されていません。この原則は、特定の観察が続くべきであることを暗示していますが、肯定的な観察は原則を意味するわけではありません。既知の観察を他の何らかの原則で説明することもでき、将来の実験でよりよく機能する可能性があります。推論の議論で使用される三段論法のように、推論は一方向にのみ流れます。したがって、演繹システムで使用される証明の厳密な意味で、科学的原則または仮説/理論が「証明された」と言うことは決して正しくありません。

その典型的な例は、重力の研究です。ニュートンは、重力の力は 2 つの質量の積に正比例し、それらの間の距離の 2 乗に反比例するという重力の法則を確立しました。170 年以上にわたって、すべての観測が彼の方程式を検証しているように見えました。しかし、望遠鏡は最終的に、水星の軌道にわずかな矛盾が見られるほど強力になりました。科学者たちは矛盾を説明するために考えられるあらゆることを試みましたが、水星の軌道に影響を与える物体を使って説明することはできませんでした。最終的に、アインシュタインは一般相対性理論を開発し、水星の軌道や重力に関する他のすべての既知の観測を説明しました。科学者たちがニュートンの理論を検証しているように見える観測を行っていた長い期間、彼らは実際には彼の理論が正しいことを証明していませんでした。しかし、当時はそう見えたに違いありません。彼の理論に何か間違いがあることを証明するのに、たった 1 つの反例 (水星の軌道) しか必要ありませんでした。

これは帰納的推論の典型です。理論の正当性を証明するような観察がすべて、その理論の真実性を証明するわけではありません。しかし、反例が 1 つあれば、それが偽であると証明できます。つまり、演繹的論理が理論の評価に使用されます。言い換えれば、A が B を意味する場合、B でないことは A でないことを意味します。アインシュタインの一般相対性理論は、最高の科学機器と実験を使用した多くの観察によって裏付けられてきました。しかし、彼の理論は今や、水星の軌道の問題が明らかになる前のニュートンの万有引力理論と同じ地位にあります。それは非常に信頼性が高く、私たちが知っている限りで検証されていますが、証明されていません。それは現時点で私たちが持っている最高のものに過ぎません。

正しい科学的推論のもう一つの例は、現在のヒッグス粒子の探索に見られる。大型ハドロン衝突型加速器のコンパクト・ミューオン・ソレノイド実験の科学者たちは、ヒッグス粒子の存在を示唆するデータを生み出す実験を行った。しかし、その結果はヒッグス粒子ではなく背景の変動として説明できる可能性があることに気づき、彼らは慎重になり、将来の実験から得られるさらなるデータを待っている。グイド・トネッリは次のように述べた。

「 115～127 GeVの間に標準モデルのヒッグス粒子が存在する可能性を排除することはできない。この質量領域では、5 つの独立したチャネルで一貫して若干のイベント超過が発生しているからである。[...] 現在までに観測されたものは、背景変動またはボソンの存在のいずれかと一致している。」

科学的方法を説明する方法の 1 つには、少なくとも次の手順が含まれます。

1. 研究対象の現象に関して一連の観察を行います。
2. 観察結果を説明できる仮説を立てます。(これには帰納的推論や帰納的推論が含まれる場合があります。)
3. 仮説が真実である場合に必ず生じる意味と結果を特定します。
4. 他の実験や観察を実行して、予測された結果のいずれかが失敗するかどうかを確認します。
5. 予測された結果がどれも失敗した場合、仮説は誤りであることが証明されます。なぜなら、A が B を意味する場合、B でないということは A でないことを意味するからです (演繹により)。その場合、仮説を変更してステップ 3 に戻る必要があります。予測された結果が確認された場合、仮説は証明されたわけではなく、既知のデータと一致していると言えます。

仮説が十分な数のテストに耐えると、科学理論に昇格することがあります。理論とは、多くのテストに耐え、確立された他の科学理論と一貫していると思われる仮説です。理論は昇格された仮説であるため、同じ「論理的」な種であり、同じ論理的限界を共有しています。仮説は証明できないが反証できるのと同じように、理論についても同じことが言えます。それは程度の違いであり、種類の違いではありません。

類推による議論は、別の種類の帰納的推論です。類推による議論では、2 つのものがいくつかの点で似ているため、別の点でも似ている可能性が高いと推論します。これはもちろん仮定です。2 つの現象の類似点を見つけようとし、その類似点から何を学べるかを考えるのは自然なことです。しかし、2 つのものがいくつかの点で属性を共有していることに気付いても、他の点でも類似点があるとは限りません。観察者は共有されている属性のすべてにすでに気付いており、その他の属性は異なる可能性があります。類推による議論は、誤った結論につながる可能性のある信頼性の低い推論方法であるため、科学的事実を確立するために使用することはできません。

• 演繹的法則論
• 被説明対象と被説明者
• 仮説演繹法
• 問い合わせ

• アーネスト・ネーゲルとモリス・ラファエル・コーエン著『論理と科学的方法入門』（1934年）
• ダゴバート・D・ルーネス著『哲学辞典』（1942年）
• 科学的進歩を理解する: 目的志向の経験主義、2017年、パラゴンハウス、セントポール、ニコラス・マクスウェル著

• 水星の近日点歳差