Bilimsel Yöntemler

Bilimsel fikirlerden teori ve kanunlara

Bilim insanları ilk zamanlardan bu yana farklı yöntemler takip ederek bilimsel sonuçlara, teorilere ya da kanunlara ulaşmışlardır. Birçok insan bilimsel fikirlerin aşamalı bir şekilde hipotezlerden teorilere, teorilerden gelişmiş kanunlara geçiş yaptığını düşünse de kanunlar ve teoriler birbirlerinden farklı kavramlardır. Kanunlar doğadaki dizinler, genellemeler ya da prensiplerdir. Teoriler ise bu olgular üzerine getirilen açıklamalarıdır. Newton yerçekimi yasasında, teori ve kanun arasındaki ilişkiye işaret etmişti. Yer çekimi kanunu bulmasına rağmen nedeni hakkında yorum yapmaktan uzak durmuştur. Kitabında Newton “Ben yerçekimi olgusunun nedenlerini ortaya çıkarmadım ve bir hipotez belirlemedim, yer çekimi vardır ve belirlediğimiz kurallara uygun olarak işler” demiştir. Newton yerçekimin neden var olduğunu açıklamayıp sadece var olan olgulardan evrende genel bir prensibi ortaya koyduğundan yerçekimi kanun olarak ifade edilir.

Bilim insanlarının, bilimsel fikirlerini kanun ya da teorilere ulaştıran bilimsel yöntemler nasıl gelişmiştir?

İlk Çağlar

Aristo

Eski yunan filozoflarına göre evrensel doğrulara akıl yürütme ile ulaşılabilirdi. Aristo, eski yunan filozofların bu düşüncesine ek olarak soyut düşünce ve akıl yürütmelerin gerçek dünyaya ait bulgularla yani gözlemlerle desteklenmesi gerektiğini ifade etmişti. Ampirizm, yani bilginin insanın 5 duyusu ile elde ettiği deneyimlerden kaynaklandığı düşüncesinin temelleri de bu şekilde Aristo tarafından atılmış oluyordu.

Resim:  Aristo (MÖ 384 – 322)

Aslında, insanlar her zaman çevrelerinde olup biten doğa olaylarına karşı meraklı olmuşlardır. Çiftçiler daha iyi verim alabilmek için havayı ve iklimi, avcılar daha kolay avlayabilmek için hayvanların davranışlarını, denizciler olası fırtınaları tahmin edebilmek için denizi ve havayı gözlemlemişlerdir. Gözlemi bilimsel bir yöntem olarak ele alan Aristo’ya göre bilimsel araştırma gözlemlerden genel ilkelere ve sonra tekrar genel ilkelerden gözlemelere gidiş olarak gerçekleşirdi.

Şekil  Aristo’nun bilimsel yöntemini gösteren şema

Aristo’ya göre, bilimsel araştırmalar doğada olan olayların bilgisi ile başlardı. Aristo doğa olaylarının farklı özelliklerini gözlemleyerek ortak özelliklerden bir genellemeye ulaşırdı. Çünkü Aristo’ya göre kişi doğrudan gözlemlediği bir şeyi açıklayan prensipler üretmeliydi. Bu ilk aşamadan sonra da, ikinci aşamada genellemelerden elde edilen ilkelerin nedenlerini anlamaya çalışırdı. Bu aşamada yeniden gözlemler yaparak elde edilen ilkeyi kontrol etmiş oldurdu.

Nitel ve Nicel Gözlem

Milattan önce 4. Yüzyılda yaşamış olan Aristo ve ortaçağın önemli bilim insanlarından biri olan Galileo cisimlerin hareketleri ile ilgili gözlemler yapmışlardı. Aristo cisimlerin kendi doğalarına göre hareket ettiği sonucuna varmıştı. Yani Aristo’ya göre dumanın yeri gökyüzüdür bu nedenle yukarı doğru hareket ederdi, taşların yeri ise yeryüzü olduğu için yere düşerdi. Aristo’nun bu gözlemlerinden çıkardığı sonuç şuydu: Eğer cisim ağırsa hafif olana göre daha hızlı düşer.

Sizce ağır mı önce düşer hafif mi?

Şekil: Su Saati

Aristo’dan yüzyıllar sonra Galileo da cisimlerin hareketi üzerinde çalışmalar yapıyordu. Ama Aristo’nun gözlemlerini ve açıklamalarını tutarlı bulmuyordu. Yani ağır olan cisim önce, hafif olan cismin ise daha sonra düştüğünü söylemek için elde yeterli delil bulunmadığını düşünüyordu. Galileo bu sonucu sorgulayabilmek ve daha kesin sonuçlar elde edebilmek için gözlemlerini sayısallaştırmaya karar verdi. Bir su saati kullanarak önce ağır olan sonra da hafi olan topu bıraktı. Sonuç iki top için de aynıydı. Bırakılan cismin ağırlığı değişse de düşme sürelerinde bir değişiklik olmuyordu. Galileo ve Aristo’nun gözlemlerini karşılaştırdığımızda Aristo’nun hiçbir ölçümü almadığı ve sadece gördüğünü ifade ettiği için nitel gözlem; Galileo’nun ise gördüklerini ölçümlerle desteklediği için nicel gözlem olarak ifade edilebilir.

 

ORTA ÇAĞ

Deney

 

 

Resim: İbn-i Heysem (965–1039)

Ortaçağda, İslam biliminin altın çağını yaşadığı dönemde (11. Yüzyıl), Müslüman bilim insanları teori ve uygulamanın birleşmesine büyük önem gösteriyorlardı. Bu nedenle de akıl yürütme ile beraber deneyleri kullandılar. Deneye dayalı bilimsel yöntem, ilk olarak bir fizikçi ve bilim insanı olan İbn-i Heysem tarafından geliştirilmişti. Optik alanında büyük çalışmalara imza atmış bilim insanı İbn-i Heysem böylece çalışmalarında, gözlemlere dayalı, sistematik kontrollü deneylere ve ölçümlere önem vererek kendi bilimsel yöntemini geliştirmişti. İbn-i Heysem’in yöntemi zamanımızda sıkça duyduğumuz bilimsel yöntem olarak kullanılmaktadır:

  • Problemin ifade edilmesi
  • Gözlem
  • Deney
  • Hipotezin test edilmesi
  • Verilerin yorumlanması ve matematiksel olarak formülize edilmesi
  • Bulguların yayınlanması

İbn-i Heysem dışında El- Biruni ve İbn-i Sina da deneye dayalı bilimsel yöntemler takip etmişlerdir

RÖNESANS VE YENİÇAĞ

Francis Bacon

Resim: Francis Bacon (1561 – 1626)

Doğudaki gelişmelerden habersiz, Avrupa’da bilimsel yöntemler üzerine olan düşünceler, Aristo’nun fikirlerinin değerlendirilmesi ve eleştirilmesi üzerinde odaklanıyordu. Francis Bacon, bilimsel metot olarak tümevarımı yani var olan özel durumlara ait bilgilerden yola çıkarak genel bilgilere ulaşılması fikrini, merkeze alır. Bacon bu düşünce ile bilim insanlarını örümceklere ve karıncalara benzetiyordu. Bir kısım bilim insanı örümcekler gibi çevresinde ağ örerdi, bir kısım bilim insanı da karıncalar gibi bir şeyleri toplar ve kullanırlardı. Bacon bilim insanının arı gibi olması gerektiğini düşünüyordu. Arıların farklı çiçeklerden madde toplayıp bunu besine çevirdikleri gibi, bilim insanları da farklı bilgileri toplayarak genel bilgiye çevirmeliydiler.

Deneysel bilimin babası olarak kabul edilen Bacon, sadece doğayı gözlemlemek yerine deneylerin de kullanılmasını desteklemişti. Ona göre deneylerin görevi bir hipotezin ya da bir teorinin lehine karar vermek ve diğer hipotez veya teorileri çürütmekti. Bacon deneye dayalı bilimsel yöntemini “doğru ve kusursuz tümevarım” olarak sunmuştu. Bacon’ın tümevarım yöntemi bir genellemeler merdiveni gibiydi. Bu bilimsel yöntemi seçen kişi düzenli ve aşamalı olarak bir basamaktan diğerine ilerlerdi ve her aşamada gözlem ve deneylerle bir önceki genelleme test edilirdi. Bu yöntem, her basamaktan sonra, deneylerle test edilecek başka bir basamağın geleceği bir merdiven gibiydi; en son basamağa gelmeden kesin bir genellemeye ulaşılamazdı.

Orta çağın en büyük bilim insanlarından Galileo da deneye dayalı bir bilimsel yöntem kullanıyordu. Bacon’ın deney ile ilgili fikirlerinin Galileo’yu nasıl etkilediği belli değildir, hatta Bacon ve Galileo birbirlerinden tamamen habersizdiler. Fakat Galileo de Bacon gibi Aristo’nun bilimsel yöntemine karşıydı. Galileo’ya göre doğanın gizli sırlarına deneyler aracılığı ile ulaşılabilirdi. Galileo’nun Bacon’dan farkı uygulama yapmış olmasıydı. Bacon deneylerin gerekliliğini bir yöntembilim olarak sunarken Galileo bu yöntemin uygulayıcısıydı.

René Descartes

Descartes, Bacon gibi genel ilkelerin yer aldığı bir sistem düşünüyordu. Descartes’in farkı, genel ilkelerin kesin doğrular olması gerektiğine inanmasıydı. Descartes’in yöntemi Bacon’ın tümevarımsal yönteminin aksine problemlerin genellemelerin özel durumlara uygulanması ile çözüldüğü tümden gelim yöntemiydi.

Descartes doğayı yöneten temel ilkelere saf akıl yürütme ve matematik mantığı ile ulaşılabileceğine inanıyordu; çünkü duyu organları aldatıcı olabilirdi. Descartes’e göre, matematik ve geometrinin sonuçları doğru ve açıktı. O halde bilimler matematik kullanılarak kesin bilgilere ulaşabilirlerdi.

Resim: Descartes (1596-1650)

Kesin bilgiye ulaşabilmek için şüpheci olmak gerekiyordu. Descartes şüphe edilmeyecek kesin bilgiye ulaşmak için var olan tüm bilgilerin doğruluğuna şüphe ile bakıyordu. Descartes’e göre, tümdengelimli bir şekilde var olan olgu hipotezlerle sınanarak şüphe duyulmayacak bilgiye ulaşılabilirdi. Deney ve gözleme önem vermeyen ve bilgiye akıl yoluyla ulaşılabileceğine inanan Descartes deneyleri sadece açıklamaları formüle etmenin bir yolu olarak görüyordu.

Isaac Newton

Newton’un metodunu oluşturan felsefesinin en önemli özelliği Descartes’e karşı duruşuydu. Descartes’in tümdengelim yöntemine karşı Newton bir olguyla başlayarak bu olguyu açıklayan çıkarımlar yapmayı, yani olgudan teoriye gitmeyi tercih ediyordu. Olgudan teoriye gidişteki en önemli etken ve Newton’un başarısının arkasında yatan, karmaşık fizik durumlarını matematiğin sadeliği ile sunabilmesi, yani matematiği kullanabilme becerisiydi. Newton bilimsel çalışmalarında öncelikle matematik terimleri ile ifade edilebilecek bir dizi olgu seçerdi, birim kütleler, bir ya da iki cisimli sistemler gibi. Olguların ifade edildiği matematik terimler, doğadan elde edildiği için soyut matematik alanını yansıtmazdı. Newton daha sonra bu olguların matematik ifadelerini tekrar fiziksel doğaya transfer ederdi. Newton’a göre matematik olarak elde edilen kurallar bir sistemden diğerine transfer edilebilir; deney ve gözlemlerle elde edilen verilerle karşılaştırılabilirdi. Örneğin Newton, bir cisimli sistemlerden elde ettiği matematik ifadelerini astronomiye aktararak astronomi verileri ile karşılaştırmıştı.

Newton ünlü hareket yasalarını bu yöntem ile ortaya koymuştu. Doğa Felsefesinin Matematik ilkeleri kitabında da doğanın açıklanmasında matematiğe verdiği önemin tekrar altını çiziyordu.

Diğer bilimsel yöntemler

Bilim insanları sadece gözlem, deney ve matematik kullanarak çalışmalarını sürdürmemişlerdi. Bunların yanı sıra, düşünce deneyleri, analoji gibi birçok farklı yöntem kullanmışlardı. Örneğin düşünce deneyleri, Galileo’dan Einstein’a birçok bilim insanının kullandığı bir yöntemdi.

Örneğin Galileo’ya göre, dünyada fenomenler ve beklenmedik olaylar vardı. Fenomenler evrenseldi ve fiziksel gerçeklikleri tanımlayabilirlerdi. Beklenmedik olaylar ise rastlantı sonucu ortaya çıkan ve tekrar edilemeyen değişkenlerdi. Galileo yaptığı deneylerde rastlantıları ortadan kaldırarak fenomenleri açıklamayı hedefliyordu. Fakat bazı olguların açıklanması için somut olarak ortaya konulması oldukça güçtü. Güneşten dünyaya bakmak gibi… Galileo böyle olguları açıklamak için düşünce deneylerini kullanıyordu. Böylece somut olarak ortaya koyamadığı ya da değişkenlerini kontrol edemediği olguları düşünce deneyleri ile açıklayabiliyordu. Einstein da Galileo’dan yıllar sonra bir ışık demeti üzerinde yol aldığını düşünerek düşünce deneylerini gerçekleştirmişti.

Evrensel bir bilimsel yöntem var mıdır?

Tarih sürecinde bilim insanlarının takip edebileceği bilimsel yöntem üzerine kesin çizgileri olan tanımlar oluşmaya başlamıştı. Bilimin belirli bir şekilde yapılması gerektiği fikri oluşuyordu. Ama bilim birçok alt disiplini içinde barındırıyordu ve tüm bilimlerin aynı yolu izlemesi beklenemezdi. Bir filozof (Feyerabend) tüm bilimsel disiplinlerin bir dizi kuralı takip etmesinin yanlış sınırlamalara ve engellemelere neden olacağına inandığını söylüyordu. Bilim insanları kendi çalışmaları için kurallar belirleyebilirlerdi ama bu kurallar yeni keşifleri gerçekleştirmek için değiştirebilirdi. Eğer bilimsel yöntem için kesin bir sıra olmuş olsaydı; Galileo, Newton, Einstein ve onlarca bilim insanının aynı bilimsel yolu takip ederek başarıya ulaşmış olması gerekirdi. .

Öğretmenler için öneriler

Hikâyeler, bilimsel yöntemlerin tarih sürecinde nasıl ve hangi düşüncelere dayanarak çıktığını özetlemeyi amaçlamaktadır. Bu nedenle hikâyeler ilk çağ, ortaçağ ve yeniçağ olmak üzere üç dönemde, ilgili bilimsel yöntemin doğuşunda rol alan bilim insanları ve filozoflar üzerinden anlatılmıştır. Bu tarihi geçiş aynı zamanda öğrencilerin fizik biliminde bilimsel bilginin değişiminde paradigmaların rolünü açıklamasını amaçlayan, kazanımlarının kazandırılmasında da öğretmen ve öğrencilere yardımcı olabilir. İbn-i Heysem’in deneye dayalı bilimsel yöntemi anlatılırken öğrencilerden bir problem belirleyerek, bu problemle ilgili bir hipotez kurmaları ve bu hipotezi sınamaya yönelik bir düzenek tasarlamaları istenebilir.

Bilimin temellerini oluşturan fikirlerin çıktığı ilk zamanlardan itibaren bilimin nasıl yapılabileceği, bilimsel çalışmalarda nasıl bir yol izlenebileceği ile ilgili düşünceler ve uygulamalar ifade edilmeye çalışılmıştır. Bu tarihi akış ile her bir bilimsel yöntemin felsefi bir temelinin olduğu ve belli fikirlere dayanılarak oluşturulduğu görülebilir. Bunun yanı sıra, bilim adamlarının takip ettiği belirli bir bilimsel yöntem sıralamasının olmadığı bilim insanların farklı bilimsel yöntemler takip edebileceği öğrencilere ifade edilebilir. 

İlk gözlem

Fizik biliminde önemli isimlerden biri olan Aristo, en eski ve en ünlü zoologlardan biriydi. Aristo’yu bu alanda bu kadar önemli yapan Aristo’nun zoolojinin gelişimine katkıda bulunan gözlemleriydi.

Aristo doğa olaylarını incelemede gözlemlerin doğayı açıklamada ne kadar önemli olabileceğinin farkındaydı ve yaptığı gözlemlerin detaylı kayıtlarını tutardı. Gözlem yeteneği; akıl yürütmede parlak bir zekâsının olması, gözlemlediği şeylerdeki düzeni görebilmesi ve bunları yorum yapabilme yeteneği ile birletirmiş bir bilim insanı idi. Bu nedenle Aristo’nun gözlemlerindeki hassasiyeti bilimsel olarak olağan üstüydü. Örneğin balinaları ve yunusları sadece yaşadığı yere göre balık olarak nitelendirmeyip onları memeliler diye sınıflandırması Aristo’nun yaptığı gözlemlerin ve gözlemlerden elde ettiği verilere dayanarak ortaya koyduğu sonuçların hassasiyetini gösteriyordu. Sadece canlıların sınıflandırılmasında değil, Aristo’nun hareket ile ilgili ortaya koyduğu yüzyıllar boyu geçerliliğini korumuş olan prensipleri de doğa gözlemlerine dayanıyordu. Aristo’nun gözlemlerine dayalı olarak ortaya koyduğu açıklamalar, fizikte ve zooloji dışında da birçok bilimin temellerini oluşturmuştu.

İlk kontrollü deney

Resim: İki Büyük Dünya Sistemi Hakkında Diyalog

Yaşadığı dönemde Aristo’nun birçok açıklamasını tartışılır duruma getirmiş Galileo, bilimsel çalışmalarını değişkenlerin kontrol edilebildiği deneylere dayandıran bir bilim insanıydı. Galileo deneylerle, üzerinde çalışmak istediği olguyu diğer olgulardan ayırıyor ve bu olgu üzerinde etkisi olabilecek değişkenleri kontrol ederek açıklama getirmeyi amaçlıyordu. İki Büyük Dünya Sistemi Hakkında Diyalog isimli kitabında da anlattığı düşen cisimlerin hızlanması ile ilgili deneyi Galileo’nun ünlü deneylerinden biridir ve yapılan ilk kontrollü deney olarak söylenebilir.

Galileo bu deneyinde 12 gez (1 gez=45,72 cm) uzunluğunda yarım gez genişliğinde ve 3 parmak derinliğinde bir parça ahşap kullanmıştı. Bu ahşap parçayı iyice temizleyip cilaladı. Bu şekilde deneyin sonuçlarını etkileyebilecek bir değişken olan sürtünmenin etkisini azaltmaya çalıştı. Daha sonra ahşap düzeneğin bir ucunu kaldırarak bronz bir topu yuvarladı. Galileo’nun deneyinin en önemli noktalarından biri tutarlı ölçümlerin alınmış olması idi. Galileo kitabında “Zamanı, iki gözlem arasındaki sapmayı bir kalp atışının onda birini aşmayacak bir kesinlikle ölçmek için deneyi birden çok defa tekrarladık” demişti. Galileo ancak ölçümlerin güvenirliğine emin olduklarında deneyinin ikinci aşamasına geçmişti. Ahşap düzeneğin boyunu değiştirmiş ve yine deneyini birden fazla defa tekrarlayarak ölçümlerini almıştı. Galileo bu şekilde deneyi tam 100 kere tekrarlamıştı. Değişkenleri kontrol ederek gerçekleştirdiği deneyler ve birden fazla tekrar edebilmesine olanak sağlayan deney ortamı ile aldığı tutarlı ölçümler ile Galileo fizik tarihinde birçok kavramın doğuşunda yer almıştır.

Öğretmenler için öneriler

Yukarıdaki hikâyeler, bilimsel yöntemlerden gözlem ve deneyin ilk uygulayıcılarının bu yöntemleri nasıl kullandıkları üzerine bilgi vermeyi amaçlamaktadır. Gözlemin Aristo’nun bilimindeki yeri ve deneyin Galileo’nun bilimindeki yerinin yanı sıra bu bilimsel yöntemleri uygularken hem Aristo’nun hem de Galileo’nun dikkat ettiği noktalarla birlikte bilimsel yöntemleri nasıl kullandıkları anlatılmıştır. bu hikayeler öğrencilere anlatılarak bilimsel çalışmalarda bilimsel yöntemlerin nasıl kullanılabileceği, bir çalışmanın nasıl yürütülebileceği örneklenebilir.

 

 

 

 

 

 

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir