Naučno istraživanje

Naučno istraživanje možemo opisati kao proces u kome uočavamo neobjašnjene pojave, postavljamo nove hipoteze (teorije, pretpostavke o stvarnosti) i proveravamo ih putem mnogobrojnih eksperimenata, uz mnogo pokušaja i pogreški, odnosno, mnogo pogrešnih pretpostavki koje će u toku istraživanja verovatno biti zamenjene boljim teorijama.

Šematski tok naučnog istraživanja možemo ovako raščlaniti:

• Uočavanje problema. Naučnik zapaža da je neka pojava specifična, neobjašnjena ili nedovoljno istražena. On uzima za svoj zadatak da istraži ovu pojavu i otkrije moguće pravilnosti (zakone) koje njome upravljaju.
• Postavljanje hipoteze. Naučnik pretpostavlja da bi se pojava mogla objasniti na određeni način, precizira to objašnjenje preko modela ili zakona koji bi mogli da stoje u osnovi neke pojave. U toku razrade hipoteze, naučnik se trudi da iz nje izvede što više logičkih posledica. Ova pretpostavka se može pokazati kao netačna, ali od nečega se mora početi.
• Provera hipoteze. Kada razradi hipotezu, naučnik se posvećuje tome da istraži da li se priroda ponaša u skladu sa njegovom hipotrezom. Da bi uspeo u tome vrši što više posmatranja i eksperimenata, smišlja nove eksperimente, ispituje svoje pomoćne pretpostavke.
• Doterivanje hipoteze i priprema za novi krug istraživanja. U toku ovog istraživanja pojavljuju se novi problemi i neobjašnjeni aspekti pojave, nova pitanja koja se mogu postaviti u vezi ispitivane pojave. Zbog toga je najčešće u stanju da svoju početnu hipotezu dotera i sagleda nove zadatke koji bi mogli stajati pred njim. Tako nastaje impuls za nastavak istraživanja po istoj šemi.

Naučna otkrića

Naučna istraživanja u srećnim slučajevima dovode do naučnog otkrića. Kada se u nauci dogodi značajan prodor kojim se otkriva neka nova osobina stvarnosti tada govorimo o naučnom otkriću. Pored naučnih otkrića, važan je i deo nauke koji dolazi posle otkrića, takozvani period „normalne nauke“ u kome se otkriće doteruje, eksploatiše i iz njega se izvlače sve mogućnosti.

Iako su otkrića toliko važna, metodologija nije uspela da otkrije način ili postupak kojim se sigurno dolazi do novih otkrića. Velika naučna otkrića su rezultat sticaja mnogih okolnosti – genijalnosti naučnika, upornog rada i eksperimentisanja, a i sreće i slučajnosti.

Ipak možemo izdvojiti neke elemente ili faktore koji, po dosadašnjem iskustvu, igraju važnu ulogu u dolaženju do novih naučnih otkrića. Neke od ovih faktora već smo pominjali u šemi naučnog istraživanja:

• Uočavanje problema. Dobro je ako se naučnik koncentriše na jednu pojavu koja do sada nije objašnjena, koja predstavlja izuzetak od prihvaćenih pravila, nešto što je i naučnika iznenadilo i začudilo. Ova zagonetka predstavlja problem, odnosno, pojavu koja još nije objašnjena.

• Smišljanje novih eksperimenata. Pošto se otkrića događaju najčešće u prirodnim naukama ili u tehnologiji, a ove nauke, kao što mo rekli, mahom koriste induktivni metod (dokaz), za njih su ekperimenti neobično važni. Do teorija se može doći i putem nagađanja i izmišljanja, ali se do novih ideja takođe dolazi i tako što nas eksperimenti dovedu do podataka koji ukazuju na probleme i rešenja.

• Provera konzistentnosti (logičke ispravnosti) teorije. Svaka teorija mora biti konzistentna, odnosno u sebi ne bi smela da sadrži protivrečnost, pošto je protivrečnost nešto što u principu diskvalifikuje teoriju. Uvek je, dakle, potrebno ispitivati teoriju sa logičke strane.

• Provera saglasnosti teorije sa ostalim znanjem. Uvek je dobro poznavati i užu oblast u kojoj se teorija pojavljuje i što širi opseg različitih znanja. Tako se između tih znanja mogu uočiti analogije ili makar pronaći inspiracija za nove pokušaje i ideje. Ponekad se do značajnih otrića dolazi tako što se neka temeljna pretpostavka nauke negira. Na primer, Albert Anštajn (Albert Einstein, 1879-1955) je do svoje specijalne teorije relativnosti došao tako što je negirao osnovnu pretpostavku njutnovske fizike da postoji apsolutni prostor i apsolutno vreme koji su isti za sve subjekte u svemiru. Anštajn je pretpostavio da se prostor i vreme menjaju ako se neko/nešto kreće brzinama bliskim brzini svetlosti.

• Značaj mašte, slučajnosti i sreće. U nauci se do novih otkrića dolazi i tako što se ona najpre zamisle kao mogućnosti. Naša kreativnost i imaginacija igraju u tom procesu značajnu ulogu. Ponekad puka slučajnost dovede do toga da se otkrije nešto što niko nije planirao da bude otkriveno.

Primer: Bekerelovo otkriće radioaktivnosti

Proces naučnog otkrića možemo ilustrovati slučajnim otkrićem radioaktivnosti koju je otrkio Antoan-Anri Bekerel (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908) 1896. godine. Naime, Bekerel je ispitivao pojavu fluorescencije, odnosno, osobinu nekih jedinjenja da, pošto su izložena suncu, kasnije i sama svetle. Eksperimentisao je sa različitim materijalima ispitijući da li su fluorescentni. U isto vreme, Vilhelm Rentgen (Wilhelm Conrad Röntgen, 1845-1923)  je otkrio X-zrake i napravio prve snimke šake pomoću njih. Bekerelu je otkriće X-zraka bilo zanimljivo, pa je pokušao da ispita da li je pojava fluorescencije u nekoj vezi sa X-zracima i da li materijali koji svetle istovremeno odaju i X-zrake. U tu svrhu, smislio je da fotografsku ploču zaštiti nekim materijalom koji ne propušta svetlost i da posmatra da li će se neki drugi zraci, osim svetlosti, emitovati sa fluorescentnog materijala.

U toku eksperimentisanja, došla je na red i uranijumova so. Slučaj je hteo da Bekerel zbog oblačnog vremena nije mogao da je izloži suncu pre eksperimenta, pa je čitavu aparaturu sklonio u neku tamnu fioku. Ipak, posle nekoliko dana, na fotografskoj ploči, na kojoj nije očekivao da će se bilo šta pojaviti, uočio je promene, što je značilo da uranijumova so sama od sebe emituje neke zrake. To nisu bili X-zraci, nego sasvim nova vrsta zraka, kasnije nazvana radioaktivnost ili alfa zraci. U njihovom otrkiću su dakle, učestvovali i slučajnost i eskperiment i postavljanje pogrešnih hipoteza, ali uspeh na kraju ipak nije izostao.

Nauka je, prema tome, adaptibilan proces u kome je potrebno da se stalno prilagođavamo novim saznanjima, zamenjujući pretpostavke koje se pokazuju kao pogrešne drugačijim i novim hipotezama.

Ključne reči: naučno otkriće, normalna nauka, naučno istraživanje, hipoteze, provera hipoteza, adaptibilnist nauke, radioaktivnost

Rezime: Naučno otkriće predstavlja značajnu promenu u životu nauke. Metodologija nije otkrila metodu koja obavezno dovodi od naučnog otkrića, ali su važni delovi metode nauke: uočavanje problema, eksperimenti, logička provera, široko poznavanje raznih nauka i mašta. Naučno istraživanje sastoji se od eksperimentisanja, postavljanja hipoteza, proveravanja i niza slučajnosti.

Vežbanja:

Pokušajte da, pretražujući internet, otkrijete odgovore na sledeća pitanja:

• Ko je prvi napisao broj sa decimalama?
• Ko je prvi Britanac koji je postao vitez zbog naučnih otrkića?
• Kada je otkriveno postojanje jonskih i kovalentnih veza među atomima?

Pretraživanjem interneta, pronađite podatke o Raderfordovom eksperimentu i objasnite njegov tok i zaključke. Pre toga pročitajte sledeća objašnjenja:

Zadatak: X-zraci, radioaktivnost i otkriće jezgra atoma

X- zraci su dobili to ime jer je njihova priroda bila sasvim tajanstvena u trenutku kada su otkriveni. Kasnije se saznalo da se radi o eletromagnetnom zračenju više frekvencije od frekvencije svetlosti koja je takođe elektromagnetno zračenje. Ovaj odnos vidimo na šemi koja prikazuje spektar elektromagnetnog zračenja:

Spektar elektromagnetnog zračenja

Zraci koje je otrkio Bekerel, koji su opisani kao radioaktivnost, mogu uzeti tri oblika: alfa, beta i gama zraci. Alfa zraci su zapravo jezgra atoma helijuma (dva protona i dva neutrona) koja lete iz radioaktivne materije. Ove tri vrste radioaktivnosti imaju različitu prodornu moć. Alfa zrake će zaustaviti i papir, beta zrake tabla aluminijuma, a gama zrake tek blok od olova.

Jedan radioaktivni elememt koji emituje alfa zrake, odnosno jezgra atoma helijuma, je kao neki top koji ispaljuje mnoštvo čestica. Ova okolnost se može iskoristiti za razne eksperimente. Jedan od njih je poznati Raderfordov (Ernest Rutherford, 1871-1937) eksperiment koji je ukazao na to da se atom sastoji od jezgra i omotača u kome kruže elektroni.

Potražite na internetu opis ovog eksperimenta (Geiger-Marsden experiment, nazvan prema Raderfordovim saradnicima) i pokušajte da rekonstruišete njegov tok i Raderfordove zaključke.

Nikola Tesla (1856-1943), naš poznati naučnik, imao je naučnu karijeru u kojoj su dominirale inovacije. Spisak Teslinih pronalazaka je dugačak i uključuje radio, daljinsko upravljanje i, naravno, naizmeničnu struju i seriju patenata vezanih za nju. Sva Teslina otkrića bila su odmah primenljjiva u praksi. Često je bio u komplikovanim odnosima vezanim za konkurente, što dobro ilustruje kampanja u kojoj je Edison pokušao da dokaže da je naizmenična struja opasna. Tesla, mnoga svoja otkrića, kao što je otkriće X-zraka nije želeo da objavi. Teslin rad je izvrstan primer povezanosti nauke i svakodnevnog života.