banner

Kapitola 4
Dělení a charakteristika vědeckých metod

Samého slova ”objevit” bychom se měli zříci. Objevit znamená uvědomit si něco, co již existuje; to je spojeno s důkazem, který však již nemá povahu ”objevu”, ale nalezení prostředků, které k objevu vedou. … Objevování skutečně není tvůrčí akt. Albert Einstein

Studijní cíle: V této kapitole se podrobněji seznámíme s nejdůležitějšími vědeckými metodami a jejich charakteristikami. Po jejím prostudování rozlišíme metody empirické a logické, pochopíme jejich vztah i používání v minulosti i nyní.

PIC

Průvodce studiem

Základní dělení vědeckých metod na empirické a logické podle vztahu k smyslové a racionální složce poznání bylo naznačeno již v předcházející kapitole. Moderní přírodověda je založena především na využití empirických metod, na něž se přirozeně koncentruje i metodologie s cílem umožnit jejich efektivnější využití.

4.1 Empirické metody

Proč nám příroda dovoluje uhodnout z vlastnosti jedné části chování zbytku? Jde o nevědeckou otázku. Nevím, jak na ni odpovědět než zcela nevědecky. Myslím, že je to tím, že důležitou vlastností přírody je jednoduchost – a proto je velmi krásná. Richard Phillips Feynman

Praxeologické hledisko

Ke studiu empirických metod lze přistupovat z více hledisek. Za nejsvůdnější je možno považovat hledisko praxeologické. Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, praxeologie, jejímž zakladatelem byl Tadeusz Kotarbiński, je teorií činnosti a opírá se i o myšlenky pragmatismu. Empirické metody lze definovat jako druh manuální pracovní činnosti, jež jako každá cílevědomá činnost sestává z řady operací a má následující typické složky: Složky empirických metod
  1. poznávací záměr;
  2. nositel činnosti, tj. badatel(é);
  3. objekt činnosti, jímž mohou být příroda včetně člověka, lidské výrobky, společenské struktury, zkrátka veškerá realita;
  4. nástroje činnosti zastoupené řadou vědeckých přístrojů, jež plní některé z následujících funkcí: zvětšují rozsah počitkových prahů našich smyslových receptorů (dalekohled, mikroskop), zpřístupňují skutečnost, aniž by musela být mechanicky narušena rozbitím, pitvou apod. (rentgen, tomograf), transformují jevy z oblasti našim smyslům nepřístupné do oblasti našim smyslům přístupné (galvanometr, Geiger-Müllerův počítač), zdokonalují motorické zacházení s objekty (mikromanipulátor, odstředivka), umožňují vytváření umělých podmínek (vývěva, chladnička), zexaktňují registraci zkoumaných jevů (elektrokardiograf), podílejí se na zpracování, znázornění, ukládání a sdílení dat (počítač, počítačová síť);
  5. techniky a metodiky činnosti, tj. konkrétní posloupnosti pracovních operací, jimiž se realizuje interakce nositele činnosti s objektem činnosti. Metodika je úzce spjata s objektem zkoumání. Určitými metodikami je možno dosáhnout jen určitého kvanta nových vědeckých faktů. Badatelům je tento vztah dobře znám. Nová metodika obvykle zahajuje sérii objevů, jež rozšiřují základnu faktů v té které vědě. Často teprve nová metodika umožňuje řešení nějakého vědeckého problému;
  6. výsledek činnosti, údaje podávající popis sledované skutečnosti; mimo slovního vyjádření to může být zápis matematický, grafický, filmový atd.

PIC

Například ve fyziologii živočichů chirurgická technika Ivana Petroviče Pavlova umožňující fyziologické studie in vivo přinesla řadu faktů základního významu z fyziologie trávení, krevního oběhu a nervové soustavy.

Metodiky jsou úzce spjaty s přístroji a tak přístrojový park významně determinuje technické možnosti výzkumu, i když nutně nemusí vždy platit, že složitější aparatura a sofistikovanější metodika vede k větším objevům; naopak vědecká práce v zajetí přístrojů a zaběhnutých metodik může poněkud ztrácet tvůrčí charakter. PIC

Uveďme například pokusy Alexandra Fleminga s plísní Penicillium notatum nebo pokusy Ernsta Rutheforda s umělou transmutací prvků.

Do souboru empirických metod patří pozorování, srovnávání, analýza, experiment, kterých lze užít ke zjištění základních faktů. Uvedené dělení je však určitým umělým zjednodušením, neboť jednotlivé metody lze těžko izolovat jednu od druhé. Za nejdůležitější bývají považovány pozorování a experiment, jež zahrnují i metody zbývající. Jak pozorování tak experiment neslouží pouze k vědeckému poznání; v primitivnější podobě se uplatňují v každodenním životě a mají proto historické kořeny.

4.1.1 Pozorování

Pojmu pozorování užíváme v několika významech – jako označení pro psychický proces záměrného zacíleného vnímání, jako přesné konstatování nějakého faktu nebo jako konstatovaná fakta sama (astronomická, seismická pozorování apod.).

Pozorování jako vědecká metoda je založena na přesném konstatování faktů o přírodních jevech a procesech, kdy se pozorovatel snaží co nejméně zasahovat do pozorovaných objektů. Jeho cílem je zjištění dat o jevech a procesech v jejich přirozeném stavu, neovlivněných člověkem. Skvělý pozorovatel, francouzský fyziolog Claude Bernard, se k této metodě vyjádřil slovy: ”Pozorovatel, jak jsem řekl, pouze konstatuje jev, který má před očima. Jeho jedinou starostí musí být, aby se pojistil proti omylům a chybám pozorování, jež by mohly zavinit, že by viděl nějaký jev neúplně, nebo že by jej špatně určil. K tomuto cíli nasazuje do práce všechny přístroje, které mu mohou dopomoci k úplnějšímu pozorování. Musí být jakýmsi fotografem jevů, jeho pozorování musí věrně zobrazovat přírodu. Je nutno pozorovat bez předpojatého názoru: duch pozorovatelův musí být pasivní, což znamená, že musí mlčet. Naslouchá a píše, co mu příroda diktuje.

Charakteristické rysy pozorování

Charakteristickými rysy pozorování jsou
  1. jasně a přesně vymezený cíl;
  2. plánovitost postupu;
  3. přesnost;
  4. objektivní registrace výsledků činnosti.

Je-li pozorovatel nucen užít materiálního zásahu do pozorované skutečnosti, není jeho cílem působit a identifikovat změnu ve zkoumaném objektu, ale je zaměřen na zlepšení podmínek pozorování nebo vůbec pozorování umožňuje (pitva, příprava mikroskopického preparátu). Nutnou podmínkou pro správné pozorování pak je, aby zásah nevyvolal žádnou takovou změnu pozorovaného jevu, která by jev ovlivnila. Pokud se tak stane, vyvstává problém experimentálního určení charakteru a stupně ovlivnění, aby bylo možno oddělit pozorovatelem vyvolanou změnu objektu od jeho skutečných vlastností. Není-li to možné, musí být výsledky pozorování uváděny vždy s použitou metodikou.

PIC

Průvodce studiem

Metoda pozorování prošla dlouhým obdobím vývoje a zdokonalování. Proto také můžeme rozlišit různé typy pozorování podle vztahu k přístrojům a jejich využití.

Pozorování prosté a zprostředkované

Výchozím a po dlouhou dobu jediným druhem pozorování bylo pozorování prosté, bez použití jakýchkoli přístrojů. Takové pozorování je však možné v případě poměrně úzkého okruhu jevů přístupných našim smyslům. Množina zkoumaných jevů se neustále zvětšuje díky konstrukci přístrojů, jež zvětšují rozsah smyslových orgánů (lupa, fonendoskop) nebo pozorovanou skutečnost našim receptorům zpřístupňují (krční zrcátko, cystoskop). Takové přístroje umožňují pozorování zprostředkované a přímé.

Pozorování nepřímé a zprostředkované

Řada přístrojů transformuje určité jevy nepozorovatelné našimi smysly do oblasti pozorovatelné (galvanometr, osciloskop), složité aparatury provádějí i několikanásobné transformace. V takových případech jde o pozorování zprostředkované a nepřímé. Zprostředkované nepřímé pozorování je spjato s teoretickým základem a vyžaduje pozorovatele majícího dosti značnou sumu vědomostí, které pomáhají navrhnout a vytvořit most mezi smyslově vnímaným jevem a tím co vyjadřuje. Do popředí vystupují předchozí zkušenosti a interpretace pozorování. PIC

Například částice je možno pozorovat a měřit scintilační metodou. Záření dopadá na luminiscenční látku a vyvolává světelné záblesky uvolňující elektrony z fotokatody. Uvolněné elektrony procházejí systémem dynod, kde je proud zesilován až je zaznamenán vychýlením ručičky galvanometru.

V této souvislosti může vzniknout zdání, že pravým objektem zkoumání není vnější svět, ale princip činnosti komplikovaných přístrojů a výsledky odečítání polohy ukazatelů či displeje přístrojů, počtu světelných záblesků apod. Z uvedených příkladů je zřejmé, že se zprostředkované nepřímé pozorování hojně užívá ve fyzice.

PIC

Například významný britský astrofyzik Arthur Eddington napsal: ”Celý předmět exaktní vědy tkví v odečítání polohy ručičky a podobných indikací.” Dodal k tomu, že to co ručička ukazuje, je ”nevyzpytatelné něco, co neznáme.”

Takové krajní stanovisko je samozřejmě neopodstatněné, neboť všechny přístroje jsou konstruovány na základě našich vědomostí a technických možností. Jejich údaje tudíž nejsou něčím, co existuje samo o sobě, ale jsou odrazem reálných jevů získaným technickými prostředky.

Pozorování poskytuje obvykle informace o vnějších stránkách skutečnosti – o tvaru, velikosti, počtu, vztazích k okolí. Proto jsou získaná vědecká fakta zpracována popisným způsobem, nemusí však nutně jít jen o slovní výpověď, ale také o grafy, rovnice, kresby, multimediální materiál atd.

Pozorování základem popisných věd

Pozorování představuje základní metodu popisných věd (systematická botanika, zoologie, anatomie, morfologie, petrografie) a součástí metodologické výbavy metod zaměřených na studium vnitřních vztahů a funkcí (fyziologie, genetika). V konečném důsledku je pak součástí všech ostatních empirických metod. Zejména kvantifikace pozorování vede ke spojení s metodou srovnání – měření spočívá v zavedení objektivních srovnávacích předmětů mezi pozorovatele a pozorovaný jev, přičemž předmětem srovnávání nemusí být jen celistvé objekty, nýbrž i jejich součásti, což navíc předpokládá zapojení analytické metody. Ke studiu hromadných jevů a zpracování dat se používá metod statistických.

4.1.2 Experiment

Realita naprosto nezávislá na duchu, který ji vnímá, vidí či cítí, je nemožná. Svět tak externí, i kdyby existoval, by byl pro nás navždy nepřístupný. Henri Poincaré

Pojem experiment (z latinského ex-periri) se objevuje v různých souvislostech. Mluví se nejen o pokusu ve vědeckém výzkumu, ale o experimentu v umění, v průmyslu a podobně a myslí se jím nějaký zásah do původního stavu, změna, která je zkoumána a jsou z ní vyvozovány důsledky. Zde pod tímto slovem budeme rozumět nejdůležitější empirickou vědeckou metodu sloužící ke zjišťování vědeckých faktů a k ověřování hypotéz. Významu metody odpovídá i pozornost, kterou experimentu věnují metodologové. Z množství definic uveďme alespoň následující od polského psychologa Zbigniewa Pietrasińského:

”Vědecký pokus je taková operace, při níž se vyvolá zkoumaný jev v předem určených podmínkách, jež je možno libovolně opakovat a měnit, abychom mohli provádět vědecké pozorování.”

Experiment znamená aktivní zásah experimentátora

Jde tedy o pozorování za podmínek uměle sestavených experimentátorem a podstatný rozdíl oproti pozorování spočívá v zásahu člověka. Na rozdíl od pozorovatele usilujícího o co nejmenší ovlivnění sledovaných jevů a dějů, experimentátor záměrně změny vyvolává. Pomocí nejrůznějších technik se snaží přimět zkoumané jevy projevit se v kontrolovatelných podmínkách. Jak to výstižně vyjádřil francouzský zoolog a paleontolog George Cuvier: ”Pozorovatel naslouchá přírodě, experimentátor ji vyslýchá a nutí ji, aby se odhalila.” Experiment lze charakterizovat jako vědeckou metodu získávání vědeckých faktů a ověřování hypotéz, která spočívá v zásahu do určitého izolovaného jevu nebo procesu s cílem navodit v něm změnu.

Fáze a složky experimentu

Při analýze posloupnosti činností (operací) tvořících experiment, můžeme rozlišit tři fáze:
  1. vymezení objektu a jeho podmínek – pokusného systému;
  2. zásah do objektu experimentu;
  3. registrace výsledků zásahu.
Vymezení pokusného systému

Kontrolovatelnost experimentu

Předpokladem užití jakékoli empirické metody je vymezení úseku sledované skutečnosti. Experiment vyžaduje největší míru izolace zkoumaného jevu a už tím je náročnější než třeba pozorování. V přirozených podmínkách pozorování se každý jev nachází pod vlivem řady činitelů s nimiž interaguje a reaguje na jejich změny. Za takových okolností není možné jednoznačně vyhodnotit působení experimentálního zásahu na zkoumaný jev. Proto je nutno zkoumaný jev vytrhnout ze složitých a proměnlivých souvislostí s jinými jevy a vytvořit pro něj uzavřené prostředí, v němž na pokusný objekt působí jen definovaný soubor podmínek a sledovaný experimentální zásah. Při zachování konstantních definovaných podmínek během všech fází experimentu je splněna první podmínka exaktnosti provedení pokusu – kontrolovatelnost.

Reprodukovatelnost experimentu

Přirozeným ověřením kontrolovatelnosti pokusu je jeho reprodukovatelnost. Ovládání činitelů působících na zkoumaný jev v průběhu experimentu znamená, že můžeme kdykoli navodit jejich opakování. Kontrolovatelnost a reprodukovatelnost nespočívají pouze ve vnějších (exogenních) podmínkách, tedy prostředí kolem pokusného objektu, ale i v objektu samém, v možnosti regulace podmínek endogenních. Tato regulace je ztížena tím více, čím větší je strukturovanost pokusného objektu a jeho autonomnost vůči vnějšímu prostředí. Největší obtíže v tomto směru přinášejí pokusy v oblasti biologické a společenské.

Kontrola a ovládání vyžaduje znalost. Reprodukovatelnost pokusu je nejen základem věrohodnosti jeho výsledků, ale i ukazatelem vědomostí o zkoumaném jevu a podmínkách jeho existence. Nereprodukovatelnost experimentu je znakem toho, že jsme nezachytili rozhodující faktory ovlivňující pokusný objekt. Opakovatelnost experimentu je mimo jiné závislá na předchozích poznatcích o zkoumané skutečnosti. O tom svědčí situace v experimentálních vědách. V oblasti anorganické lze zpravidla dosáhnout kontroly všech podmínek, jež mohou ovlivnit výsledek pokusu a experiment je tudíž v plné míře opakovatelný, výsledky jednotlivých sérií pokusů jsou také srovnatelné.

Situace v biologických a společenských vědách je odlišná. Zde se setkáváme s větší složitostí, variabilitou a rozmanitostí vztahů pokusných objektů k vnějšímu prostředí. Také jednotlivé pokusné objekty nemusí být (a většinou nejsou) zcela identické, takže vyvstává otázka srovnatelnosti výsledků u paralelních pokusů (zásahu je vystaveno více objektů) a ještě více u pokusů opakovaných sériově. Paměťový a časový faktor působí velké komplikace a obvykle nelze dosáhnout té preciznosti jako u experimentů fyzikálních a chemických. Proto se v biologických disciplínách požaduje reprodukovatelnost alespoň 90 %, aby výsledky byly považovány za věrohodné. V případě, kdy máme jen málo poznatků nebo je zabezpečení kontroly technicky příliš náročné, spokojují se experimentátoři i s nižšími hodnotami. Navzdory tomu, že ve společenských vědách je situace mnohem obtížnější, neztrácí zde opakovatelnost experimentu význam. Neopakovatelný pokus je obecně pokládán za bezcenný. Exaktnímu zvládnutí první fáze experimentu v těchto vědách velmi napomáhají různé techniky homogenizace pokusných objektů, jak si je vypracovávají jednotlivé vědy (biologie, sociologie, psychologie) a způsob výběru reprezentativních skupin pokusných objektů, jak je rozvíjí tzv. matematická teorie experimentu.

Zásah do objektu experimentu

V této fázi se nejmarkantněji projevuje povaha experimentu jako cílevědomé aktivity, jako manipulace s realitou. Z různých forem a podob lze vymezit čtyři základní typy zásahů:

Typy zásahů

  1. exogenní aditivní – např. zkoumání radioaktivního záření na růst rostliny;
  2. exogenní eliminační – např. vyloučení světla ze souboru podmínek a zkoumání vlivu tohoto zásahu;
  3. endogenní aditivní – např. aplikace látky do tkáně organismu;
  4. endogenní eliminační – např. odříznutí růstového vrcholu rostliny.

Všechny uvedené typy mohou mít i své kvantitativní odstupňování. Experimentální zásah může vůbec spočívat pouze v kvantitativní změně některé z podmínek pokusného systému. V případě použití vícefaktorového experimentu se mohou jednotlivé typy zásahu kombinovat.

Registrace výsledků zásahu

V této fázi se experimentátor stává pasivním pozorovatelem, jenž se snaží zachytit vyvolané změny a reakce. Pochopitelně se přitom uplatňují požadavky kladené na vědecké pozorování vymezené v předcházející části – plánovitost postupu, přesnost, zajištění minimálních vlivů objektivních (přístroje apod.) i subjektivních (přání, očekávání) faktorů.

Z matematického hlediska můžeme ve studovaném systému vyčlenit jevy nebo procesy navozené (nezávisle proměnné) a sledované (závisle proměnné). Vedle závisle a nezávisle proměnných je obvykle předmětem pozorování a měření také soubor exogenních i endogenních podmínek tvořících nebo ovlivňujících pokusný sytém.

Nezávisle proměnná

Nezávisle proměnná je onen experimentální zásah navozený experimentátorem závisející na jeho záměrech. V nejjednodušších případě má nezávisle proměnná veličina hodnotu 0 nebo 1 (přítomnost či nepřítomnost této proměnné) tam, kde je třeba provádět paralelně pokus kontrolní – nezávisle proměnná pak má kvalitativní charakter – jako v případě informativních pokusů prováděných za účelem zjištění, zda mezi jevy existuje nebo neexistuje nějaká souvislost. Pokud může nezávisle proměnná nabývat více hodnot, celý experiment přechází do oblasti zkoumání kvantitativních souvislost; sem patří všechny experimenty, jejichž cílem je nalezení funkční závislosti mezi dvěma či více jevy.

Závisle proměnná

Závisle proměnná je spojena s objektem experimentu, jev vyvolaný nezávisle proměnnou, ona zkoumaná, uměle vyvolaná změna, jež může opět být kvantitativní nebo pouze kvalitativní.

Nejjednodušší typ experimentu zahrnuje jednu nezávislou a jednu závislou proměnnou. Ve výzkumné praxi se většinou setkáváme s variantami tohoto klasického schématu, plánu pokusu. Přednosti toho typu jsou zřejmé, obtíž jednofaktorového experimentu bývá zajištění maximální kontroly experimentálního objektu (tj. endogenních podmínek) a ovladatelnosti podmínek vnějších (exogenních). Ovladatelnost exogenních podmínek znamená možnost udržet je konstantními a tak kontrolovat jejich vliv na závisle proměnnou; nekontrolovatelné podmínky pak vystupují v roli dalších proměnných. Klasický typ experimentu vyžaduje vysokou míru izolovatelnosti pokusného systému i jednotlivých podmínek zvlášť, což nelze vždy splnit, neboť lze těžko oddělit současně působící faktory, jež mezi sebou jistým způsobem korelují. V tomto smyslu otevírá širší perspektivy experimentu rozvoj matematiky a statistiky, které vypracovaly způsoby plánování a hodnocení experimentů s více proměnnými. Používané plány vícefaktorových experimentů jsou úplné nebo neúplné.

Úplné faktorové plány

Úplné faktorové plány zahrnují všechny kombinace nezávisle proměnných a poskytují větší bázi pro indukci. Srovnává se působení zásahu na dvou objektech lišících se spolupůsobením jiného zásahu, je zde také otevřena i možnost odhadu interakcí mezi proměnnými. PIC

Plán experimentu pro dvě úrovně nezávisle proměnných A1, A2 a B1, B2 vyžaduje 22 = 4 kombinace, tj. použití čtyř pokusných skupin objektů A1 - B1, A1 - B2, A2 - B1 a A2 - B2. Výhodou takového postupu je větší efektivnost – kdybychom zkoumali a zaznamenávali jen jednu proměnnou, pak (pokud by to šlo zařídit) bychom potřebovali osm pokusných objektů nebo skupin objektů.

Neúplné faktorové plány

Neúplné faktorové plány je snazší použít tehdy, když je proměnných či kvantitativních úrovní více. Oblíbený je tzv. latinský čtverec. Každá kombinace úrovní se v pokusu vyskytuje jen jednou, takže pro experiment se třemi proměnnými ve třech úrovních (celkem 32 = 9 kombinací), pak latinský čtverec bude mít 3 × 3 skupiny objektů. Použití úplného plánu vícefaktorového experimentu by vyžadovalo 33 = 27 pokusných objektů či jejich skupin. Pro proměnné A, B a C s třemi úrovněmi latinský čtverec vypadá následujícím způsobem




A1A2A3




B1C1C2C3




B2C2C3C1




B3C3C1C2




Existují pochopitelně i složitější plány umožňující současnou práci s více proměnnými; tato problematika patří k propracované matematické teorii experimentu.

Druhy experimentu

Možných hledisek třídění experimentu existuje samozřejmě více. Uveďme některá z nejužívanějších kritérií klasifikace:

  1. podle stupně kontrolovatelnosti pokusného systému;
  2. podle počtu proměnných veličin;
  3. podle vztahů experimentu k jeho základní myšlenkové konstrukci;
  4. podle charakteru pokusných objektů.

Třídění podle stupně kontrolovatelnosti

Rozlišujeme mezi experimentem laboratorním (čistý, klasický) a přirozeným (průmyslovým, polním, klinickým). Laboratorní pokus se vyznačuje vysokou kontrolovatelností, značným stupněm izolace a zjednodušením pokusného systému; nekontrolovatelných podmínek zůstává málo a někdy mohou být dokonce zanedbány. Často má dokonce klasický plán, tj. je jednofaktorový. V tomto smyslu jsou laboratorní pokusy ideálem všech experimentálních věd, přírodních i společenských. Za vysokou kontrolovatelnost však často platíme redukcí zkoumané skutečnosti, maximálním zjednodušením studovaného jevu a obvykle také specifickým výběrem pokusných objektů, což poněkud snižuje možnost zobecnění výsledků experimentu.

V přirozeném pokusu jednak vstupují do množiny pokusného systému faktory, jež byly v laboratorním pokusu vědomě eliminovány, nebo jejichž kvantitativní parametry byly jiné, jednak se projevují činitelé jejichž povaha a působení není přesně identifikováno. Využívá se v řadě oborů, např. v lékařství se doplňuje laboratorní experiment s experimentem klinickým, v agronomii laboratorní a polní, v chemickém průmyslu laboratorní a provozní atd.

Menší míra kontrolovatelnosti není vždy nutně negativní, je vyvážena předností širšího a adekvátnějšího pohledu na sledovaný jev. Kontrolovatelnost je možno zvýšit prostřednictvím vícefaktorových experimentů. Přirozený experiment tudíž rozhodně nelze hodnotit jako méně významný a ve výzkumu má své nenahraditelné místo zejména v aplikovaných vědách zaměřených na využití poznatků a zákonitostí v praxi. Jeho role pravděpodobně, spolu s prohlubujícím se poznáním a snahou o komplexnější postižení reality v, budoucnosti ještě poroste.

Třídění podle počtu proměnných

Třídění podle počtu proměnných je poměrně nedávného data. Na počátku 20. století existovalo základní schéma experimentu – jedna proměnná, jedna neproměnná veličina a konkrétní soubor podmínek – zaměřené na sledování změny jednoho faktoru vyvolané faktorem jiným; proto mluvíme o jednofaktorovém experimentu. Až rozvoj statistiky a matematické analýzy umožnil systematické používání vícefaktorových experimentů, v nichž sledujeme působení dvou i více činitelů současně. PIC

Například zjišťujeme vliv několika druhů krmiv na váhové přírůstky různých plemen krav nebo sledujeme vztah mezi hloubkou orby, hnojivem a výnosy pěstovaných plodin.

Přitom každá z proměnných může mít ještě několik úrovní – např. každý ze tří druhů krmiv je možné opakovat ve dvojím množství, takže jde o třífaktorový a dvouúrovňový pokus, přičemž úrovně nemusí být jen kvantitativní, ale i kvalitativní. Používají se i smíšené faktorové experimenty, kde počet úrovní sledovaných faktorů není stejný, např. jeden z nich je tříúrovňový a dva jsou dvouúrovňové (31 × 22). Pro více než čtyřúrovňové faktorové pokusy však chybí efektivní způsob vyhodnocení.

Nejčastěji se setkáváme s dvoufaktorovými a dvouúrovňovými experimenty zpracovávanými úplnou faktoriální analýzou. Faktorové pokusy se používají hlavně v aplikovaných vědách odkud plyne, že jde často o pokusy přirozené. Jejich cílem bývá optimalizace technologického procesu (výroby chemikálie, výkrmu drůbeže, obdělávání půdy atd.). Lze sem přiřadit i faktorové pokusy v pedagogice, jejichž cílem je např. zjištění optimálního metodického způsobu učení.

To, co dává experimentu smysl a význam vědecké metody je samozřejmě především otázka, na niž dává odpověď výsledek experimentu, čímž je pokus spjat se sférou myšlení a myšlenkových konstrukcí. Podle složitosti myšlenkové konstrukce můžeme seřadit problém, hypotézu a teorii. Otázky vyplývající a odvozené z těchto myšlenkových konstrukcí mohou mít různý stupeň uzavřenosti; na uzavřené otázky lze předběžně podat možné odpovědi, u otevřených otázek to možné není.

Experiment heuristický

Z hlediska vztahu k myšlenkové konstrukci rozeznáváme experiment heuristický (empirický, explorativní) a verifikační. Heuristický experiment je postaven na maximálně otevřené otázce, která vyplývá z nepříliš složité myšlenkové konstrukce. Doménou heuristických experimentů jsou nové, málo probádané oblasti, jimž v systému poznatků odpovídají jen neúplné myšlenkové konstrukce skýtající malou možnost predikce. PIC

Typické heuristické pokusy provázely např. počátky výzkumu radioaktivity, v nimž šlo o zjištění povahy záření. Zkoušelo se plavení uranových sloučenin v elektrických pecích, působení nízkými teplotami, zplyňování atd. s jednoduchou otázkou – změní se po takových změnách vlastnosti záření?

Heuristické experimenty přinášejí nová a nepředpokládaná vědecká fakta a vytvářejí základnu pro dokonalejší myšlenkové konstrukce. V tomto smyslu stojí heuristický experiment na počátku poznávajícího procesu.

Experiment verifikační

Verifikační experiment pak slouží k potvrzení (či vyvrácení) myšlenkové konstrukce, s níž je spojen skrze otázku uzavřenou a to až na jedinou anticipovanou odpověď. Získaná fakta nejsou (nebo by neměla být) na rozdíl od heuristických experimentů neočekávaná, nýbrž jsou předpovězena a zdůvodněna nějakou hypotézou. Ve vědě jsou verifikační experimenty tak běžné, že některé obecné definice experimentu berou v úvahu pouze tyto pokusy.

Z hlediska procesu poznávání zaujímá verifikační experiment místo posledního článku završujícího a potvrzujícího správnost myšlenkových konstrukcí. Mezi otevřenými a uzavřenými otázkami je pochopitelně řada přechodů, rovněž vztah mezi mírou uzavřenosti otázky a složitostí myšlenkové konstrukce není zcela přímý. Heuristický a verifikační experiment jsou proto jen krajními případy, mezi nimiž můžeme nalézt řadu přechodných typů.

Třídění podle zkoumaných objektů

Zvláštnosti zkoumaných objektů ovlivňují a modifikují experiment výrazně; hovoříme o experimentu fyzikálním, biologickém, sociologickém apod. – co vědní odbor, to druh experimentu. Pro potřeby tohoto textu vystačíme se třemi třídami objektů experimentu: anorganickou, organickou a společenskou.

Pokusy anorganické

Pro objekty anorganických experimentů je typické, že jejich stav lze považovat za zcela determinovaný vnějšími podmínkami, variabilita uvnitř zvolené třídy objektů je často zanedbatelná a nemusíme brát v úvahu ani časový faktor. Pokusný systém lze proto velmi přesně vymezit, podmínky lze vyjádřit kvantitativně, výsledky zásahu je pak možno měřit a většinou vyjádřit matematicky. Při dodržení týchž podmínek pak dosáhneme úplné opakovatelnosti jevů a důsledků experimentálního zásahu do zkoumané reality. Navíc bývá pravidlem, že výsledek (zejména verifikačního experimentu) můžeme předem vypočítat, vymezení pokusného systému je maximálně ovladatelné a lze provádět ”nejčistší” laboratorní experimenty. Zejména v technické praxi se používá pokusů vícefaktorových a používá se i experiment modelový (pokusný objekt je nahrazen pokusem jiným) s využitím matematické teorie podobnosti.

Pokusy organické

Pro objekty živé přírody platí charakteristika téměř opačná. Stav organizmů závisí kromě exogenních i na podmínkách endogenních, často se uplatňuje variabilita a časový faktor. Vymezení pokusného objektu je tak mnohem obtížnější a izolovatelnost omezená. Manipulace s živými objekty má také poměrně pevné hranice vymezené legislativou. Ne všechny podmínky lze vyjádřit kvantitativně, většinou působí řada faktorů, o jejichž vlivu experimentátor neví nebo je nemá možnost kontrolovat. To zeslabuje exaktnost výsledků experimentálního zásahu a úplné opakovatelnosti pokusu nelze zpravidla dosáhnout. Pro eliminaci či zmírnění vlivu nekontrolovatelných činitelů se provádějí kontrolní pokusy, v nichž studovaný zásah nebyl proveden. PIC

Při testování nových léků je nutné maximálně vyloučit tzv. placebo efekt, tj. zlepšení stavu pacienta nikoli v důsledku podaného léku, ale díky jeho přesvědčení, že je léčen. Proto se vždy sleduje i skupina pacientů, jimž nebyl lék podáván vůbec popř. jim bylo podáván farmakologicky indiferentní přípravek neobsahující léčivo (třeba voda s cukrem). Setkáváme se také s ”paměťovým” efektem, pokud budeme chtít pokus opakovat s týmiž objekty, a zanedbat většinou nelze ani faktor časový, neboť většina organismů se s časem vyvíjí (stárne). Pokud jedinečnost vystupuje do popředí příliš, má kromě problematické opakovatelnosti význam i srovnatelnost pokusů, ať už v rámci jedné série nebo mezi několika sériemi navzájem. V rámci srovnávání je samo opakování zavedeno jako proměnná a výsledky jsou hodnoceny z hlediska statistické významnosti. I přes tyto potíže zůstává i v organické oblasti ideálem laboratorní pokus; v biologii se za velmi perspektivní považuje modelový pokus – lze jím obejít obtíže spojené se studiem vyšších organizmů, další důvody jsou hospodářské a zejména v případě člověka i etické. Jako modely lze použít někdy i umělá zařízení.

Pokusy společenské

Sociální oblast je pak ještě složitější, různorodější a mění se mnohem rychleji, navíc je třeba zohlednit vědomí subjektů – objektů experimentu. Rovněž etické otázky hrají ještě významnější roli. Vymezení pokusného systému naráží na obtíže s určením endogenních podmínek, jež jsou u společenských pokusů velmi důležité (psychický stav, dosavadní zkušenosti, přání, atd.). Dosáhnout lze pouze globální opakovatelnosti experimentu, i proto je často problémem samotné srovnání výsledků opakovaných pokusů. Zkrátka realizace společenského experimentu vyžaduje, aby badatel vstoupil přímo do pokusného systému. Ve společenských vědách se využívá možností experimentu ex post facto – dodatečné konstrukce experimentu s jeho složkami nad událostí, která již proběhla. PIC

Vliv výchovy na utváření osobnosti se demonstruje na vzácných případech dětí vyrostlých mimo lidskou společnost. Jejich stav je chápán jako výsledek umělého zásahu – vyloučení z lidské společnosti. Předchází zde druhá fáze – zásah, fázi první – vymezení pokusného systému.

Poznávací hodnota experimentu

Metoda experimentu je náročnější než metoda pozorování – strukturou i tím, že je použitelná teprve tam, kde je již k dispozici určité množství vědeckých faktů. Tím se také vysvětluje, proč se historicky nejprve vyvinuly metody popisné (již ve starověku) a teprve později se začal uplatňovat experiment (na počátku novověku). Obtíže s aplikací experimentální metody jsou mnohonásobně vyváženy jejich přednostmi:

4.2 Logické metody

Věčným tajemstvím světa je jeho srozumitelnost. … Skutečnost, že mu lze rozumět, je zázrak. Albert Einstein

Zájem metodologů se soustředí především na složité otázky logických prostředků a metod, jež tvoří základ jakéhokoliv vědeckého výzkumu včetně výše popsaných empirických metod; zároveň se právě zde metodologie úzce dotýká logiky. Rozdíl je v hledisku uplatňovaném při studiu logických metod a prostředků. Metodologie zde rovněž vychází z vědomostí příbuzných oborů zabývajících se myšlením (psychologie, fyziologie vyšší nervové činnosti) a matematické logiky. Základem systému logických metod jsou indukce, dedukce, analýza, syntéza, abstrakce, generalizace, srovnání a analogie.

4.2.1 Indukce

Logika je neporazitelná, protože v boji proti logice je nutné se vyzbrojit logikou. Pierre Boutroux

Pojem indukce (podobně jako duální pojem dedukce) se opět používá v různých významech. Obecně jde o postup od méně obecného k obecnějšímu, od jedinečných premis a faktů k obecnějším úsudkům a závěrům. Z gnozeologického hlediska reprezentuje postup poznávání od smyslového k racionálnímu. Počátky jejího chápání se objevují u Démokrita, Aristotela i Epikura, v novověku se jí obírali Bacon, Hume, Mill a další. Rozlišujeme indukci úplnou a neúplnou. Úplná indukce neboli enumerace vyčerpává všechny jednotlivé případy – pokud zjistíme, že všechny prvky množiny mají určitou vlastnost, používáme metodu úplné indukce. Tento případ není příliš častý, převažuje indukce neúplná, kdy k závěru docházíme, aniž by byly prozkoumány všechny případy dané skupiny, ale platnost závěru na všechny případy vztahujeme. Závěr pak nemá platnost úplnou, ale pravděpodobnou. Zvláštní případy neúplné indukce představují extrapolace a interpolace. Při extrapolaci rozšiřujeme platnost závěrů (objevené funkční závislosti) na nezkoumané případy za hranicemi pozorovaných hodnot, při interpolaci na případy mezi pozorovanými hodnotami.

4.2.2 Dedukce

Dedukce je opačným postupem než indukce. Znamená přechod od obecnějšího k méně obecnému. Základ má v teorii sylogismu, jejíž pravidla zformuloval již Aristotelés a scholastická logika. Proto se význam pojmu dedukce často zužuje na jakýkoli sylogistický závěr.

Hodnocení metodologické funkce dedukce prošlo v dějinách filozofie a logiky oběma extrémy. Jeden reprezentoval např. René Descartes přeceňující roli dedukce, myšlení identifikoval bezvýhradně s dedukcí, která je na rozdíl od smyslů prostá omylů. Naopak John Stuart Mill podřadil dedukci indukci, český filozof Josef Tvrdý o dedukci psal, že je to metoda ”spíše kritická než objevitelská”. Jako ve většině případů, pravda leží někde uprostřed, naše myšlení je přirozeně induktivně-deduktivní.

4.2.3 Analýza

Analýza představuje myšlenkové rozložení složitého jevu na jeho složky (pokud totéž provádíme materiálně, jde o empirickou metodu). Cílem je odhalení vztahů mezi částmi zkoumaného jevu (celku), směřuje od známého celku k rozlišení jeho součástí. Metodologicky je komplexním pojmem a obsahuje množství dalších dílčích logických postupů. Podobně jako je indukce spojena s dedukcí, analýza je spojena se syntézou.

4.2.4 Syntéza

Syntéza je naopak spojováním, částí v celek, postupuje od známého k neznámým celkům (i ona je také součástí empirických metod). Předpokládá i opačný postup – analýzu, obě metody se vzájemně verifikují. Přirozeně se prolíná s ostatními logickými metodami jako srovnáváním, generalizací apod.

S analýzou i syntézou souvisí (ale v žádném případě nesplývá!) i rozporuplně hodnocená metoda redukcionismu. Jde o metodologické hledisko směřující k převedení (redukci) složitějších jevů na jednodušší, vyšších na nižší, komplexních na elementární. Vyzdvihuje možnost a nutnost zjednodušování jevů, pokud to slouží jejich snadnějšímu poznání a pochopení. Filozoficky je spojen s mechanickým materialismem, pozitivismem a novopozitivismem, zakládá se na přesvědčení, že složitější struktury a jevy mohou být plně vysvětleny a pochopeny na základě struktur a jevů jednodušších, např. sociální jevy na základě zákonů biologických, biologické na základě fyzikálně-chemických, nebo snaha interpretovat fyziku pouze jako aplikovanou matematiku. S opatrností užívaný redukcionismus patří k nejplodnějším postupům, v extrémní podobě může vést k zanedbání zákonitostí, které se objevují v komplexnějších systémech a tím k opomenutí důležitých vlastností systému jako celku. PIC

Rozluštění genetického kódu umožňuje některé biologické zákony vysvětlit pomocí jednodušších pravidel kombinatoriky a chemických reakcí. Naopak ani systémy mnoha atomů a molekul nejsou pouhým ”součtem” vlastností těchto jednotlivých objektů (i když na nich samozřejmě závisejí), neboť se navíc uplatňují specifické statistické zákony. Je zřejmé, že komplexnost a složitost se nejvíce projevuje u jevů biologických a sociálních.

Americký laureát Nobelovy ceny za fyziku za rok 1979 Steven Weinberg svůj postoj shrnuje slovy [41]: ” Nově navrženému samostatnému makroekonomickému zákonu, který by nebylo v principu možno vysvětlit chováním jednotlivců, či hypotéze týkající se supravodivosti, kterou by nebylo možno popsat vlastnostmi elektronů, fotonů a jader, bychom asi nevěnovali velkou pozornost. Redukcionistický postoj poskytuje vědcům všech oborů užitečný filtr, který je chrání před zbytečným plýtváním jejich drahocenným časem nad myšlenkami, které za to nestojí. V tomto smyslu jsme dnes redukcionisty všichni.”

4.2.5 Srovnání

Při srovnání posuzujeme jednotlivé prvky a vlastnosti jevů či pojmů z hlediska shody, podobnosti a rozdílu; prolíná se s analýzou a syntézou. Umožňuje oddělit podstatné a nahodilé znaky a vlastnosti jevů. Jako metodologický pojem bezesporu čeká na další teoretické zkoumání.

4.2.6 Abstrakce

Při abstrakci rozdělujeme jednotlivé vlastnosti jevů a odhlédnutím od nepodstatných znaků z nich vytváříme samostatné pojmy. Od analýzy se liší zejména v tom, že analýza věnuje pozornost všem prvkům a má na zřeteli jejich původní souvislosti s analyzovaným celkem, zatímco abstrakce se zaměřuje na jednu stránku. Jde o klíčový proces při vytváření pojmů větší či menší obecnosti. Složité abstrakce zahrnují i několikanásobné a několikastupňové vytváření schémat. Abstrakce nám umožňuje postihnout i důležité zákonitosti, které jinak mohou zůstat skryté ve složité kombinaci jevů. PIC

Například pojem bělost je výsledkem abstrahování této vlastnosti od jejích konkrétních materiálních nositelů jako jsou sníh, květina, oblak apod.

Názornou ukázkou významu abstrakce je objev setrvačnosti a zákonitostí volného pádu Galileem Galilei a Isaacem Newtonem. Zatímco Aristotelés byl přesvědčen, že tělesa se nemohou pohybovat bez vnějšího působení a tvrdil, že těžší tělesa (olověná koule) padají k zemi s větším zrychlením než lehčí (pírko, kousek papíru), Galileo a Newton byli schopni abstrakce a postřehli, že pokud nebudou působit odporové síly, tělesa se mohou pohybovat pouze díky setrvačnosti charakterizované jejich hmotností. Podobně při volném pádu je vliv odporové síly na těžší tělesa ve srovnání s tíhovou silou mnohem menší než u těles lehčích, avšak např. bez odporu prostředí padají všechna tělesa se stejným zrychlením.

4.2.7 Generalizace

Nezevšeobecněné údaje jsou jen klepy. Robert Pirsig

Generalizace neboli zobecňování je vytváření obecných pojmů shrnutím řady jevů do jedné třídy. Na rozdíl od abstrakce předpokládá shrnutí více jevů, zatímco k abstrakci lze vystačit i s jevem jedním; abstrakce je zúžením, ochuzením pojmu, generalizace jeho rozšířením a souvisí s neúplnou indukcí. PIC

Ve fyzice se setkáváme se silami elektrickými, magnetickými, silami setrvačnými, odporu prostředí, jadernými apod. Jejich společné znaky zobecňuje pojem síly.

4.2.8 Analogie

Analogie je postup, při němž se ze shody či podobnosti jevů v některém znaku vyvozuje podobnost či shoda ve znacích jiných. Souvisí proto úzce s metodou srovnávací i analytickou. Její vědecká hodnota závisí na tom, zda se opírá o podobnost podstatnou nebo nahodilou a je základem metody modelování. PIC

Při výkladu elektrických kmitů v obvodech s odporem R, indukčností L a kapacitou C se někdy ve středoškolské fyzice využívá analogie s kmity mechanickými (kmity na pružině nebo kmity matematického kyvadla). Analogií výchylky je v elektrickém obvodu elektrický náboj, rychlosti mechanického pohybu elektrický proud atd.

4.2.9 Modelování

Modelování je široce užívaná empirická a logická metoda uplatňovaná především v aplikovaných vědách. Rozvoj počítačové techniky umožňuje studovat stále komplexnější jevy dokonce i bez nutnosti konstrukce materiálních modelů (papírových, dřevěných apod.) reálných objektů (lodí, mostů atd.). Teorie modelů je dnes poměrně solidně propracovaná. Umožňuje snížit výzkumné náklady, v některých oborech patří k základní výzkumné metodě, např. v bionice. PIC

Tradičně bývá uváděn příklad anglické válečné lodi z roku 1870. Anglický inženýr Edward James Reed ji studoval pomocí modelu a odhalil závažnou konstrukční vadu. Admiralita však jeho ”hraní si” nebrala vážně. Loď se po vyplutí z mateřského přístavu potopila i s 500 námořníky. Reed, který v důsledku sporu rezignoval na své místo konstruktéra, se pak stal aktivním politikem a členem Parlamentu.

4.2.10 Myšlenkový experiment

Člověk je zjevně stvořený k tomu, aby myslel. V tom spočívá všechna jeho důstojnost a celá jeho přednost; veškerou jeho povinností je, aby myslel správně. Blaise Pascal

K logickým metodám bývá někdy řazen i myšlenkový experiment. Jde o soubor logických operací, které mají tytéž složky jako běžný empirický pokus, ale ”uskutečňuje” se pouze ve sféře myšlení, čímž jsou dány jeho přednosti i nedostatky. Sám o sobě nemůže být považován za kritérium správnosti či nesprávnosti teorie či hypotézy. Za klasika myšlenkového experimentu je považován Galileo Galilei, svými myšlenkovými pokusy byl znám i Albert Einstein. PIC

Jedním z nejznámějších a nejdiskutovanějších myšlenkových experimentů (dnes již realizovaným i experimentálně) je pokus navržený Einsteinem, Podolskym a Rosenem 1935 (často označovaný EPR-paradox) jako demonstrace problémů kvantové teorie. Jak bylo ukázáno později, zdánlivý paradox, který měl být hlavním argumentem proti kvantové mechanice, odráží skutečné chování mikrosvěta [15].

4.3 Logické prostředky výstavby vědy

Nevíme nic – to zaprvé.
Proto máme být velice skromní – to zadruhé.
Abychom netvrdili, že víme, když nevíme – to zatřetí.

To je zhruba postoj, který bych rád zpopularizoval. Má to však malé vyhlídky.

Karl R. Popper

Vědecká fakta a poznatky získané uvedenými empirickými a logickými metodami netvoří ještě v souhrnu vědu. Každá věda zásobu faktů a poznatků třídí a vysvětluje, tj. podřizuje určitému systému. Proto také pouze ta fakta, jež lze v tomto procesu systematizace využít, mají pro vědu význam. Fakta, která zařadit nelze, zůstávají na okraji pozornosti, jsou předčasná. Anglický přírodovědec John Desmond Bernal přirovnává vědu k obrovské budově, která je permanentně v opravě. Neustále jsou některé její části bořeny a znovu stavěny jinak, přitom se budova stále zvětšuje do šířky i výšky. Hlavními prostředky, které věda při výstavbě svého systému používá, jsou klasifikace, hypotéza, teorie a zákon. Zároveň jsou to i formy, v nichž výsledky vědeckého poznání vystupují. Důležitou roli hrají i metody zacházení s poznatky a vyvozování nových závěrů prostřednictvím úsudků.

4.3.1 Sylogismus

Formu úsudku, v němž ze dvou předpokladů (premis) logicky vyvozujeme závěr (konkluzi) nebo také úsudek ze všeobecného na zvláštní, označujeme od dob Aristotelových jako sylogismus. Sylogistika je pak nauka o logických závěrech, o umění logického úsudku. Připomeňme nejčastější typy sylogismů z hlediska logiky.

Chyby v úsudcích označované běžně jako ”chyby v myšlení” zahrnují nejčastěji nesplněný předpoklad, nesplněnou platnost implikace (pravidla A B v příkladech výše) popř. – u složitějších tvrzení – nesprávně vytvořené negace (opačná tvrzení). Dodejme, že studium způsobů a formy úsudků, je součástí evropské kultury argumentace a filozofie zde historicky připravila půdu pro formalizaci logiky v podobě predikátového a výrokového počtu.

4.3.2 Klasifikace

Z logického hlediska představuje klasifikace rozdělení libovolné skupiny předmětů na třídy a podtřídy různých řádů podle společných vlastností. Největším problémem je přitom volba základu dělení (kritéria, hlediska třídění jevů). Klasifikační systémy vytvořené na základě vnějšího, nahodilého znaku nazýváme klasifikací umělou. Při klasifikaci může být paralelně využito i více dělicích znaků. PIC

Příkladem může být klasifikace knih podle abecedního pořadí jmen autorů. Kritériem je tedy abeceda a tříd je 26. Základem třídění může být též datum nákupu knihy atd.

Signatury knih většinou označují třídění knih podle místa uložení, podle formátu, čísla přiřazeného k evidenčnímu záznamu a pořadí výtisku téže publikace v knihovně.

Klasifikace založené na podstatných znacích tříděných jevů jsou označovány jako klasifikace přirozené. Mají vyšší poznávací hodnotu, neboť vedle formálního utřídění umožňují lépe studovat charakteristické vlastnosti celých tříd jevů, eventuálně předpovídat dosud neznámé vlastnosti a odhalit mezi nimi zákonité vztahy. PIC

V knihovnictví je takovým přirozeným typem třídění předmětové, v němž je kritériem soubor klíčových hesel, či tzv. systematické třídění podle číselně značeného systému tříd; většina významných světových vědeckých knihoven využívá mezinárodního desetinného systému MDT (viz např. http://www.kvkli.cz/cz/mdt.html).

Protože vědecké poznání směřuje od poznání vnějších stránek jevů k poznání podstatnějších vlastností, jejich souvislostí a příčin, lze říci, že i klasifikace sledují tuto tendenci od umělých třídění k přirozeným, od klasifikací co do stavby jednodušších ke složitějším. Jednoduchým typem je klasifikace popisná, typu: ”všechny tříděné jevy patří buď do třídy A, B nebo C”. Hlediskem třídění může být nějaký vnější znak, např. barva. Takové popisné dělení se může na základě dalšího poznání prohloubit vysvětlením příčin rozdílů mezi třídami. Logická schémata klasifikací mohou být velmi složitá, mohou vytvářet hierarchické pojmové řady s mnoha rovinami obecnosti jako v botanice a zoologii. PIC

Například šeříky můžeme podle barvy rozdělit na bílé a fialové. Poznáním, že barva květů závisí na koncentraci antokyanu v buněčných vakuolách okvětních lístků (malá pro bílé a velká v tmavě fialových květech), získáváme vysvětlení původního popisného dělení.

Autorem proslulého botanického třídění založeného na morfologii rozmnožovacích orgánů rostlin byl švédský botanik Karl Linné; rostliny dělí do těchto hierarchických skupin: kmen, podkmen, řád, třída, čeleď, rod, druh, poddruh.

Takové klasifikace mají ve vědě nezastupitelnou úlohu fixace vědeckých faktů a poznatků spolu s přehledným logickým uspořádáním. Tím vytvářejí předpoklady pro další vědecký výzkum, zejména studium zákonitostí vztahů mezi klasifikovanými jevy.

Samotné typy klasifikací je samozřejmě také možné třídit. Jsou klasifikace zachycující vývojové stránky jevů – genetické, klasifikace vycházející z kauzálního hlediska – etiologické, atd. Ve vědecké praxi se většinou paralelně uplatňují dvě i více hledisek, potom hovoříme o klasifikacích smíšených.

4.3.3 Hypotéza

Hypotheses non fingo (Hypotézy nevymýšlím). Isaac Newton

Na počátku vědeckého poznání stojí odhalení problému a jeho formulace, jež často bývá právem považována za jeden z klíčových kroků poznávacího procesu (připomeňme známé úsloví, že dobře položená otázka je poloviční odpovědí). Uvidět za fakty problém a odhalit ho nemusí být vůbec snadné. PIC

Mořeplavcům bylo odedávna známo, že vlny vzduté vichřicí jsou teplejší než klidné moře. Teprve německý lékař a fyzik Julius Robert Mayer se o tuto skutečnost začal zajímat jako o problém: jak souvisí prudký pohyb vody s jejím zahřátím, jaký je vztah mezi teplem a pohybem?

Na anglickém venkově bylo už v 18. století známo, že člověk, který prodělal plané (kravské) neštovice, už neonemocní pravými neštovicemi. Až lékař Edward Jenner uchopil tento fakt jako problém, jemuž zasvětil celý život a který ho dovedl až k objevu vakcinace.

Řešení vědeckého problému je složitý a obvykle dlouhodobý úkol. Jeho základem je empirické zkoumání, shromažďování faktů o daném problému. V jistém stádiu určitý získaný, byť neúplný soubor faktů dovolí předběžné objasnění problému (někdy je možné nárys výkladu podat již při formulaci problému). Provizornímu výkladu, který zahrnuje kromě zjištěných faktů i dohady a domněnky, říkáme hypotéza (z řeckého hypo = pod a tithémi = kladu, stavím), někdy bývá s pojmem hypotézy ztotožňován samotný navrhovaný závěr, jádro hypotézy. Většinou je takové chápání vyhovující, nesmíme však zapomínat, že hypotéza je složitý útvar, obvykle celý systém vědeckých faktů, poznatků a předpokladů; tím se liší od každodenních domněnek a dohadů.

Podmínkami objektivnosti hypotézy jsou:

  1. souhlas s fakty, pro jejichž objasnění byla hypotéza formulována a souhlas s přijatými teoriemi a závěry;
  2. prověřitelnost.

První požadavek – souhlas s existujícími teoriemi – nelze pochopitelně uplatňovat absolutně, jinak bychom vyloučili další vědecké poznávání, překonávání či omezení platnosti teorií. PIC

Např. hypotéza o planetární stavbě atomu dobře vysvětlovala pozorovaný rozptyl α-částic pozorovaný Ernestem Rutherfordem, ale zároveň odporovala klasické elektrodynamice Jamese Clarka Maxwella a Hendrika Antoona Lorentze, jejíž platnost byla v té době ověřena v mnoha případech. Pokud by se v té době dogmaticky lpělo na platnosti klasické elektrodynamiky, musela by být hypotéza planetárního modelu zamítnuta. Avšak stal se opak – planetární model atomu byl zařazen do vědeckého systému a postupně (v tomto místě velmi zkracujeme a přeskakujeme) byla získána kvantová elektrodynamika, která v sobě zahrnovala jako limitní případ Maxwellovu klasickou teorii i kvantový popis mikrosvěta.

Dodejme, že ani fakta samotná nemusí být nepřekonatelná, jak o tom svědčí např. námitky Tycha Brahe proti koperníkovskému modelu sluneční soustavy (viz s. §).

Prověřitelnost hypotéz

Požadavkem prověřitelnosti (falzifikovatelnosti) rozumíme, že předpovězené jevy, popř. jejich následky musí být ověřitelné empirickými metodami, přičemž rozlišujeme mezi ověřitelností praktickou a principiální. Faktická prověřitelnost znamená, že z hypotézy lze vyvodit důsledky bezprostředně ověřitelné pozorováním či experimenty. Principiálně prověřitelná hypotéza vede k závěrům, které se nevymykají možnostem vědy, ale v danou chvílí narážejí na technické problémy, nedostatečný matematický aparát apod.; dávají však naději, že v budoucnosti bude možné jejich testování provést. PIC

Již Albert Einstein odvodil, že podle obecné teorie relativity je změna rozložení energie v prostoročase spojena s vyzařováním gravitačních vln, jež je nejvýraznější u obrovských katastrofických událostí ve Vesmíru (srážky černých děr, výbuchy supernov apod.). Teprve v 70.-tých letech 20. století, tj. dvacet let po jeho smrti, byla jejich existence nepřímo prokázána pomocí přesných měření binárního pulsaru PSR1913+16 [25]. Díky zkracování oběžné doby dvou neutronových hvězd, z nichž jedna je pulsarem, bylo prokázáno, že množství energie, které systém ztrácí, odpovídá energii odnášené podle výpočtů gravitačními vlnami. Na přímé zachycení gravitačních vln pozemskými detektory (projekty LIGO, GEO, Virgo) zatím marně čekáme.

Pro neprověřitelné hypotézy je typické, že ve svých důsledcích nevedou k žádným jiným faktům a jevům s výjimkou těch, pro jejichž vysvětlení byly vymyšleny. Požadavek prověřitelnosti je obranou právě proti těmto hypotézám. Kritérium falzifikovatelnosti je v metodologii vědy spojeno především se jménem jednoho z nejvýraznějších filozofů vědy Karla Poppera.

Obecnost a plodnost hypotézy

V metodologické literatuře se uvádějí ještě další podmínky, jimž by konstruované hypotézy měly vyhovovat, nejčastěji obecnost a plodnost. Obecností rozumíme, že by měla být použitelná k vysvětlení co nejširšího okruhu jevů. V praxi, zejména ve společenských vědách, se však někdy soustředíme i jen na vysvětlení jevů individuálních. PIC

Bielova kometa byla poprvé pozorována v roce 1832, kdy byla stanovena její dráha. V době jejího očekávaného návratu v roce 1845 byly místo ní pozorovány dvě menší komety, jež se do doby dalšího návratu od sebe i dost vzdálily a další návraty již nebyly pozorovány vůbec. Byla vyslovena hypotéza, že se rozpadly na roj meteorů. Skutečně, v roce dalšího předpovězeného návratu roku 1872 byl zjištěn silný déšť létavic.

Smyslem požadavku plodnosti hypotézy je, aby ve svých důsledcích předvídala co nejvíce faktů a otvírala možnosti širokému empirickému výzkumu. Je namířen proti hypotézám ”ad hoc”, tj. vymyšlených speciálně k vysvětlení jednoho určitého faktu či případu. Základ je v samotné realitě – jevy v přírodě se nacházejí v mnohonásobných vzájemných souvislostech. Proto hypotéza vycházející z objektivních předpokladů vysvětluje nejen výchozí fakta, ale ukazuje i na další jevy. PIC

Max Planck vyslovil v roce 1900 hypotézu (později oceněnou Nobelovou cenou), že tzv. absolutně černé těleso vyzařuje energii v určitých dávkách – kvantech. Tento předpoklad o 5 let později Albert Einstein využil k objasnění fotoefektu (za což získal v roce 1921 Nobelovu cenu). Hypotéza později umožnila popsat tepelné kapacity plynů i pevných látek a především stála na počátku nové fyzikální teorie mikrosvěta – kvantové fyziky.

Logická struktura hypotézy

Velká pravda je pravda, jejíž opak je také velká pravda. Christopher Morley

Jak již bylo řečeno, termín hypotéza není používán jednoznačně. Rozumíme jím buďto

  1. předpoklad, soud položený jako základ k objasnění problému;
  2. celý úsudek, kterým docházíme k tomuto předpokladu;
  3. myšlenkový útvar zahrnující vytyčení předpokladu a jeho rozpracování v důsledky.

V dalším výkladu budeme v prvním případě přesněji hovořit o tvrzení hypotézy, ve druhém o úsudek hypotézy. Bází, na níž začíná výstavba každé hypotézy, je soubor faktů (označíme P), příčinu těchto faktů neznáme (označíme X). Formulujeme předpoklad – tvrzení hypotézy, tj. premisu X je P. Z dosavadních poznatků vybereme druhý předpoklad našeho úsudku, v níž příčina S vede k faktům P1, neboli S je P1. Odtud získáme úsudek hypotézy X je S. Formálně se toto schéma podobá nesprávnému sylogismu, z toho však neplyne, že úsudek hypotézy je neoprávněný; přesto je zde vážný obsahový rozdíl. V sylogismu manipulujeme se zakončenými premisami (předpoklady), jejichž subjekt a výsledek jsou přesně fixovány, u hypotéz tomu tak není, zvláště první premisa má osobitý charakter – její subjekt X je neznámý a predikát P má komplexní povahu. Proto můžeme srovnávat P a P1 (P je částí P1 nebo naopak). Ani subjekt X není jednoduchý, proto je závěr X je P pouze pravděpodobný. Další fází konstrukce hypotézy je vyvození důsledků podle schématu

X je S, kaˇzd´e S m ´a vlastnost A ⇒ X m ´a vlastnost A.

Snahou badatele je vyvodit co největší počet důsledků. Teprve takto zpracovaná hypotéza je připravena k prověření, neboť tvrzení hypotézy je obvykle soudem o podstatných stránkách objasňovaných jevů a nemůže být bezprostředně podrobeno empirickému zkoumání. Mějme přitom vždy na paměti, že námi popsané schéma je ve srovnání s reálnými hypotézami a jejich konstrukcí více či méně zjednodušené a přibližné.

PIC

Při zkoumání radioaktivity zjistila Marie Curieová, že radioaktivita smolince je vyšší, než odpovídá obsahu radioaktivních prvků uranu a thoria (fakt P). Příčina X pak odpovídá na otázku: čím je nadbytek intenzity způsoben?

Získáváme jednoduché schéma:
X je P (intenzita záření po odečtení radioaktivity uranu a thoria);
S P1 (záření je vysíláno radioaktivním prvkem);
X je S (ve vzorku je přítomen další radioaktivní prvek).

Výsledné tvrzení hypotézy: Zbytkové záření smolince je způsobeno přítomností dalšího radioaktivního prvku. Protože tato hypotéza je poměrně málo obecná, není nutné vyvozovat její další důsledky. Hypotéza byla potvrzena a identifikovaný prvek byl nazván poloniem.

Prověrka a důkazy platnosti hypotézy

Tvrzení hypotézy a důsledky, které z něho plynou, jsou pouze pravděpodobné a je nutno ověřit, zda tvrzení a jeho důsledky odpovídají skutečnosti, což se neobejde bez empirických metod. Výsledky pozorování a experimentů pak srovnáváme s tvrzením hypotézy, resp. s jeho důsledky. Mohou nastat dvě možnosti – buď důsledky hypotézy souhlasí s fakty nebo ne. Logické schéma má dvojí podobu

  1. X je S X je také G a empiricky je zjištěno X je G;
  2. X je S X je také G a empiricky je zjištěno X není G a tedy X není S.

Hypotézy nelze logicky dokázat

Vidíme, že určitý závěr lze odvodit jen v případě nesouladu důsledku se zjištěnými fakty. V kladném případě nelze vyvodit jednoznačný závěr o platnosti hypotézy, neboť by to byl logicky neoprávněný výrok – z hlediska matematické logiky nelze tvrzení hypotézy dokázat. V minulosti se objevily snahy vyřešit problém důkazu hypotézy pomocí teorie pravděpodobnosti. Pouze se tím však potvrdil závěr získaný zkušeností, že pravděpodobnost hypotézy roste s počtem potvrzených důsledků.

Rozeznáváme tří základní způsoby potvrzení platnosti hypotézy.

  1. Předpokládaný jev se stane dostupný empirii, což je možné jen u hypotéz s omezenou platností (objasňujících jedinečné jevy), popř. s malou obecností. PIC

    Příkladem může být hypotéza o existenci planet Neptun a Pluto, jejichž existence byla předpovězena teoreticky na základě poruch v pohybu ostatních těles Sluneční soustavy (odchylek od Keplerových zákonů po odečtení vlivu známých planet).

  2. Důkaz modu tollendo pones rozlučovacího sylogismu (viz s. §). Tento případ vyžaduje konstrukci všech možných hypotéz a empirické prověřování jejich důsledků, po kterém vylučováním zbude pouze jediná hypotéza. Pokud z nesprávné hypotézy plynou některé důsledky, které jsou ověřeny, je tato hypotéza v některé své části pravdivá. PIC

    Např. hypotéza nehybné Země v podobě rozpracované nejdůkladněji Klaudiem Ptolemaiem, dává jednoduché a správné předpovědi zatmění Měsíce, protože pro popis pohybu Měsíce okolo Země je vztažná soustava spojená se Zemí stejně výhodná jako vztažná soustava spojená se středem Slunce, tj. soustava heliocentrická. Avšak pro popis pohybu ostatních planet a těles sluneční soustavy (komet, asteroidů apod.) je heliocentrická soustava mnohem výhodnější, což byl velmi důležitý argument v její prospěch pro řadu prvních stoupenců Koperníkovy teorie, např. Johannese Keplera. Tato cesta potvrzení hypotézy by byla spolehlivá, kdybychom měli jistotu, že studovaný soubor hypotéz je úplný, což ale v drtivé většině případů nemáme. Speciálním případem potvrzení hypotézy podle tohoto schématu je tzv. křížový experiment, který rozhoduje mezi hypotézami s protikladnými tvrzeními. Tento pojem se objevil v době Francise Bacona a jedním z prvních, kdo jej použil, byl samotný Isaac Newton.

  3. Vyvození hypotézy z obecnějších teorií, což je způsob také omezený, neboť přirozeně nemůže sloužit k ověření obecných hypotéz.

Skutečnost, že vyvrácení či potvrzení hypotézy není výhradní doménou logiky (i když v něm samozřejmě hraje důležitou roli) souvisí s tím, že nejde většinou o jednorázový akt, ale o složitý proces související s vývojem poznání. V minulosti se několikrát ukázalo, že potvrzení či vyvrácení hypotézy je relativní nebo nedostatečné, jeho platnost je omezena na historicky daný stupeň poznání a praxe.

Význam hypotézy

Shrňme na závěr význam hypotéz pro vědu a poznání:

  1. podávají pravděpodobné vysvětlení jevů tam, kde (prozatím) neumíme dát vysvětlení spolehlivé;
  2. svou interpretací faktů sjednocených do bezesporného, byť provizorního systému udávají směr dalšího empirického bádání;
  3. jde o prostředky cílevědomé a efektivní vědecké práce – neposkytují-li fakta možnost v danou chvíli problém vyřešit, konstruuje vědec pracovní hypotézu, o niž se opírá v dalším výzkumu a hledání dalších faktů.

PIC

Při zkoumání povahy radioaktivních prvků byla vyslovena hypotéza, že paprsky jsou jádra helia. Další výzkum se pak přirozeně mohl zaměřit na zjišťování faktů o vztazích radioaktivity a jádry atomů helia. Zvláštním případem jsou tzv. globální hypotézy sloužící k získání ucelených poznatků o zkoumané oblasti jevů; i ony mohou vytyčit směr empirického výzkumu. Mají fundamentální význam a jejich formulace je důležitým úkolem v každé době. PIC

Dnes lze za takovou označit ortogenetickou hypotézu fylogeneze, že vývojové změny mají ráz mutací a prostředí působí jako síto, jímž propadají nevhodné mutace.

Oparinova hypotéza o vzniku života z anorganických látek přes stadium koacervátů podnítila řadu experimentů, jež ji nakonec přeřadily mezi teorie.

4.3.4 Teorie

Velkým cílem veškeré vědy je pokrýt co nejvyšší počet empirických skutečností logickým odvozováním z co nejmenšího počtu hypotéz nebo axiomů. Albert Einstein

V návaznosti na předcházející odstavce můžeme říci, že teorií rozumíme empiricky prověřenou hypotézu, jejíž platnost byla dokázána praxí v té míře, v jaké ji v daném stadiu poznání může praxe ověřit. Stupeň jistoty je vyšší než u hypotézy – jestliže hypotéza může být zavržena, teorie může být jen překonána, její základ je jistým poznáním. PIC

Arrheniovu teorii objasňující mechanismus rozpouštění látek ve vodě překonala obecnější teorie Brönstedova, ale uchovává její jádro – disociaci iontů.

Einsteinova obecná teorie relativity popisuje gravitaci přesněji než Newtonova klasická teorie gravitace, která je však jejím limitním případem použitelným všude tam, kde je gravitace slabá a objekty se pohybují rychlostmi malými ve srovnání s rychlostí světla ve vakuu. Tyto podmínky jsou vesměs splněny ve sluneční soustavě a proto se praktické výpočty poloh planet, komet, meteorických rojů i družic provádějí stále s pomocí teorie Newtonovy.

Hranice mezi hypotézou a teorií není přirozeně zcela ostrá a oba pojmy se někdy zaměňují. Podobně jako pojem hypotézy, i pojem teorie má více významů – jednak označení vědní disciplíny (teorie poznání, teorie vědy), úseku, části vědní disciplíny (teorie gravitace nebo teorie elektromagnetického pole ve fyzice, teorie pravděpodobnosti nebo teorie množin v matematice apod.), někdy tak označujeme i spekulace, jež do systému vědy vůbec nepatří.

4.3.5 Zákon

Věda nemůže rozluštit konečné tajemství přírody. Je tomu tak proto, že při té poslední analýze se i my stáváme částí toho tajemství, které se pokoušíme rozluštit. Max Planck

Cílem vědeckého poznání z teoretického hlediska je odhalování zákonitostí, tj. podstatných, pravidelných, opakujících se a nutných vztahů mezi jevy. Může jít o vztahy příčinné, časové následnosti, totožnosti apod. Nejobecnější zákonitosti vyjadřujeme formou zákona.

Ani tento termín není jednoznačný. Používáme jej ve významu konvenční normy (normativní právní zákony), manipulace s pojmy či čísly ve formálních vědách (komutativní, asociativní zákon v matematice, zákon vyloučeného třetího v logice), nebo je vyjádřením přírodní či společenské nutnosti nezávislé na člověku (zákon volného pádu, zákony trhu). Právě poslední jmenované představují zákony vědecké.

Vědecký zákon je myšlenkový útvar vypovídající o podstatném, opakovatelném, nutném a obecném vztahu mezi dvěma nebo více jevy. Často se tak ontologicky nepřesně označuje zákonitost, zákon však nelze se zákonitostí ztotožňovat, podobně jako nelze ztotožnit skutečnost a její odraz v našem vědomí. Zákon je přibližným schématem skutečného vztahu. PIC

Mendělejevův zákon o periodické závislosti vlastností prvků na atomové hmotnosti, byl s hlubším poznáním stavby hmoty zpřesněn a dnes zákonitost formulujeme jako závislost vlastností prvků na atomovém čísle. Hovoříme-li o objektivnosti zákona, rozumíme tím shodu poznatků se skutečností a platnost zákona nezávisle na lidské vůli. Uznání objektivity zákonů však neznamená bezmocnost člověka před jejich působením – umíme-li zasahovat do souboru podmínek nutných k projevu zákonitého vztahu, můžeme působení zákona ovlivňovat. PIC

Projev zákona aktivních hmot, který vyjadřuje vztah mezi rychlostí chemické reakce a koncentracemi reagujících látek, lze ovlivnit změnou teploty a dosáhnout vyšší či nižší reakční rychlosti než odpovídá koncentraci zúčastněných látek.

Šlechtění je zásahem do působení zákona přírodního výběru. Platnost je omezena podmínkami, zákon je platný jen v určité oblasti skutečnosti. Podle velikosti této oblasti se zákony liší stupněm obecnosti. Zákonitost může být zachycena matematicky (rovnicí či nerovnicí jako Boyle-Mariottův zákon pV = konst. popisující vztah mezi tlakem a objemem ideálního plynu při konstantní teplotě) nebo slovně (jako např. zákon odrazu světla – úhel odrazu se rovná úhlu dopadu). Matematická forma se může uplatnit jen tehdy, když je vztah určen kvalitativně i kvantitativně. Pokud je zákonitý vztah přístupný našemu poznání jen kvalitativně (např. zákon přírodního výběru), zbývá jen slovní forma zákona. V rozmanitosti zákonitostí lze vymezit dva krajní typy, kterým odpovídají dvě skupiny zákonů:

  1. Zákony dynamické, jež platí pro každý jev z množiny jevů, na kterou se vztahují zvlášť. Obvykle zachycují změnu v určitém časovém měřítku. PIC

    Například zákon lomu se vztahuje na všechny paprsky dopadající na rozhraní prostředí o různých optických hustotách.

  2. Zákony statistické odrážející zákonitosti určitého souboru jevů jako celku, nejsou aplikovatelné na jednotlivé prvky souboru resp. pro jedinečný jev mají platnost jen pravděpodobnou.

    PIC

    Např. druhý zákon (věta) termodynamiky, který říká, že uzavřený systém spěje vždy k vyrovnání tepelných rozdílů a ustavení tepelné rovnováhy, platí pro systém jako celek, neplatí však nutně pro libovolné dvě molekuly (resp. atomy či jiné stavební částice) systému.

Ani mezi dynamickými a statistickými zákony není striktní hranice, projevuje se tak jednota i protiklad nutného a nahodilého. U dynamických zákonů je nahodilost potlačena, takže vystupuje při studiu jedinečných jevů. Ve statistických zákonech je nahodilost přímo započtena a nutná souvislost se projevuje skrze nahodilosti jen v množině jevů. V přírodě jsou jevy podřízeny současně mnoha zákonitostem různé povahy – pro jeden a ten samý jev platí mnoho dynamických i statistických zákonů.

PICPojmy k zapamatování

PIC

Kontrolní otázky
  1. Uveďte základní rozdíly mezi pozorováním a experimentem.
  2. Jaké jsou hlavní typy experimentů?
  3. Jaké jsou hlavní přednosti a gnoseologický význam experimentu?
  4. Jaké jsou hlavní logické metody?
  5. Uveďte základní rysy vědecké hypotézy.
  6. Jaké jsou základní módy sylogismu?

PICÚkoly k textu

  1. Najděte si podrobnosti o pokusech Galilea či Faradaye a zařaďte je do tříd podle klasifikace uvedené v této kapitole.
  2. Uveďte další příklady heuristických a verifikačních experimentů z historie i současnosti přírodních věd.
  3. Jedním se současných verifikačních experimentů je i Gravity Probe B ( http://einstein.stanford.edu/), který pomocí speciální družice s polární drahou letu vypuštěné v roce 2004 ověřuje velmi jemné důsledky obecné teorie relativity v okolí Země. Připravte si krátký referát o cíli a aktuálních výsledcích projektu.
  4. I běžní uživatelé mohou dát k dispozici své počítače vědeckému výzkumu, např. pro modelování klimatických změn, analýzu radiových signálů za účelem hledání mimozemských civilizací v projektu SETI nebo např. k analýze signálů z detektorů gravitačních vln (projekt Einstein@Home http://einstein.phys.uwm.edu/). Seznamte se blíže s některým z těchto projektů a promyslete možnosti jejich využití ve vzdělávání.
  5. Prostudujte si 3. kapitolu ”Dvakrát hurá redukcionismu” v [41] a zamyslete se, zda je vám redukcionismus blízký či nikoliv, v jakém smyslu, a proč hraje v přírodních vědách důležitou roli.
  6. Zamyslete se na definicemi logických metod a uveďte vlastní příklady indukce, dedukce, analýzy, syntézy, srovnání, abstrakce, generalizace a analogie.
  7. Prostudujte si analogii mezi mechanickými a elektrickými kmity zmíněnou na str. § a rozhodněte, nakolik vám z didaktického hlediska připadá vhodná a zajímavá.
  8. Podívejte se na systém předmětového třídění ve fyzice, tzv. PACS (Physics and Astronomy Classification Scheme) vytvořený v American Physical Society; na internetu je přístupný na adrese http://publish.aps.org/PACS/. Jakému kódu v tomto třídění by odpovídala středoškolská učebnice fyziky?
  9. Prostudujte popis objevu Keplerových zákonů podle [33] z metodologického hlediska s Popperovým komentářem.

Projekt: CZ.04.1.03/3.2.15.2/0263 Modulární přístup počáteční vzdělání učitelů přírodovědných předmětů pro střední školy
WWW stránky projektu: http://esfmoduly.upol.cz
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.