虽然事实上没有单一的科学方法，也没有普遍的科学研究方式，但所有科学家发现知识的方法都有某些共同点，将科学与其他认识方式区分开来——宗教信仰、常识

 

科学方法是科学家用来发现新科学知识的方法这种方法的简化大纲，简化为观察的形成、假设的形成（可能的因果解释）以及通过进一步观察来检验假设，通常作为科学方法教给学生虽然事实上没有单一的科学方法，也没有普遍的科学研究方式，但所有科学家发现知识的方法都有某些共同点，将科学与其他认识方式区分开来——宗教信仰、常识特征的认识方式、人际关系等等。

科学家和哲学家普遍同意，科学主张必须能够被其他科学家证伪，必须符合某种解释性思想（一种理论）的框架，并且必须对可观测宇宙做出有意义的预测观察的进行、因果解释的形成以及这些假设与进一步观察的比较是创造新科学知识的基础，尽管它们远非全部，而且很少以直接的方式进行实践，机械方式。

历史背景和科学基础科学思维方式已经发展了大约 2000 年，从人们日常生活中使用的常识性问题解决形式开始今天，科学知识是一个庞大的、不断增长的系统，个别科学家只能通过遵循某种形式的称为科学方法的程序来添加。

公元前几个世纪的希腊哲学家，尤其是亚里士多德（公元前 384-322 年），是最早仔细思考我们如何获得关于自然世界的知识——科学知识的人之一亚里士多德教导说，科学依赖于推理的两种基本形式，归纳和演绎归纳

是从具体观察中推断（推理）一般原则例如，如果我们无一例外地观察到重物在释放时笔直下落，我们可以归纳地推断所有物体都有一些共同的特性——质量——与地球相关的一些力作用在它上面——重力（从这个简单的观察中可以得出其他推论，而事实上，希腊人并没有根据“力”进行推理。

）此外，仔细观察物体下落的速度可能会让我们得出一个严格的数学定律，描述如何重力使物体加速这是由欧洲物理学家在 17 世纪科学革命初期完成的另一方面，演绎是根据一般原理或规律对特定事件或观察进行预测：这就像逆向归纳法。

例如，一旦我们提出了万有引力定律，我们就可以从中推断出太空探测器在从地球到火星的途中应该如何表现如果探测器的行为符合预期，则该定律得到证实，至少到目前为止是这样归纳和演绎都是科学方法的一部分根据观察，可以使用归纳推理产生规律。

从这些定律中，可以推断出预测可以通过安排进一步的观察来检验这些预测根据这些进一步的观察，可以对提议的科学定律进行调整十一世纪，阿拉伯科学家伊本·海瑟姆（Ibn al Haytham，965-1039 年）描述了这种科学方法的一个版本。

英国哲学家和方济会修士罗杰培根(1219-1294) 提出了 al Haytham 方法的一个版本，它更接近于现代理想：观察现象，提出一个假设来解释所观察到的东西，进行新的观察来检验假设，并发表你的工作，以便其他人可以检查它。

在 1600 年代，包括艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643-1727 年）在内的物理学家（研究支配所有物理物体的基本定律的科学家）提出了进一步的科学思想标准在 19 世纪，几位哲学家将这些标准细化为一系列理想的步骤，这些步骤被称为科学方法。

在 20 世纪，许多哲学家和历史学家挑战了将科学视为仅仅改变科学方法的陈旧、简单化的观点今天仍然普遍教授给高中生和大学生的经典科学方法如下：观察自然现象提出一个可能的因果解释，一个假设，以解释观察结果使用假设来预测尚未观察到的现象。

安排对预测现象的观察如果新观察结果与预测不一致，请返回步骤 2 并修改您的假设重复这些步骤，直到您的假设解释了所有已知的观察结果许多哲学家、历史学家和科学家都指出，在现实生活中，科学并不总是有条不紊地遵循科学方法的步骤。

科学家经常根据非常细微的观察做出直观的猜测；现有理论会影响从可以进行的无限数量的观察中得出哪些观察结果，并且似乎与其他得到充分支持的理论相冲突的异常观察结果可能会被忽略或搁置一段时间1930年代，美国哲学家卡尔波普尔(1902-1994) 提出，真正科学思想的显着标志是它是可证伪的——也就是说，它做出的预测可以通过观察进行检验（经典科学方法的第 4 步）。

近几十年来，其他哲学家指出波普尔的定义是不充分的：简单地做出可证伪的预测与做科学不是一回事例如，一个人可能会一时兴起声称汽车是靠空气行驶的通过观察汽车需要提供液体燃料或电力才能运行，这一说法可能会被证伪。

然而，即使它是可证伪的，汽车在空中行驶的假设也不科学：它只是一个自由浮动的主张，并没有从具体的观察或任何连贯的因果理论得出所有的科学主张都是可证伪的，基于魔法、神灵、奇迹或其他超自然原因的解释从来都不是科学的，因为如果超自然力量确实存在，原则上它们可能会导致任何事情发生。

这些力可能与所有可能的观察结果兼容，因此最终无法测试它们的存在科学只研究自然解释，因为它们是唯一可以被科学方法排除或排除的解释现代文化联系并非所有科学家都以完全相同的方式实践科学方法例如，学者们经常将历史科学和实验科学区分开来。

天文学、地质学、进化生物学和天体物理学等历史科学试图解释过去发生的一系列事件实验科学，例如物理学，在受控环境（例如实验室）中测试他们的假设这两种科学都是完全科学的，并根据科学方法的基本原理运作不同之处在于，历史科学家通常预测对自然发生的证据或事件的新观察，而不是安排实验。

在 1990 年代后期，一些科学家观察到了一种被称为先锋异常的效应美国分别于 1972 年和 1973 年发射的先驱者 10 号和先驱者 11 号太空探测器探索外太阳系（它们仍然在太空中航行）被观察到沿着无法使用现有引力定律准确解释的路径行进。

科学家们研究了他们能想到的先驱者异常的每一个原因——燃料泄漏就像弱火箭一样，漂浮在太空中的灰尘和气体的阻力，由于海浪在海岸上从跟踪航天器的雷达站数英里处破裂而导致的测量误差，等等——但无法解释异常对于飞过外太阳系的另外两个探测器，。

尤利西斯和伽利略，观察到了同样的效果，尽管误差范围更大由于无法确定可能导致这些航天器异常运动的力，因此这些观察结果似乎与流行的引力理论、广义相对论相矛盾然而，广义相对论得到了许多其他观察结果的支持，没有科学家愿意仅仅基于先驱者的异常就拒绝它。

这说明了一个原则，即一些异常观察不一定足以推翻一个得到充分支持的科学理论到 2008 年，先驱者的异常仍然无法解释，而天文学家继续进行许多其他观察，证实了广义相对论的预测当人们认为观察意味着进行实验——即在实验室中操纵物体和力以产生特定结果时，有时会出现混淆。

例如，不相信生物进化论的人（在科学中，“理论”不是猜测，而是对大量事实的任何有充分支持的解释）有时会争辩说，因为没有人在场观察生命的进化，并且因为进化不能在实验室中重复，科学家关于进化的主张是信仰问题，而不是科学问题。

然而，这种反对是基于对科学方法的误解观察不需要基于实验室实验来支持或反驳科学理论例如，在二十世纪，古生物学家（研究化石的科学家）收集到的化石表明，已知最早的四肢陆栖动物出现在大约3.6亿年前的晚泥盆世这对应于科学方法的第 1 步：观察。

进化论预测，这些动物是在第一批绝对陆栖动物出现之前，从生活在沿海浅水中的四肢鱼进化而来的，而过渡（或中间）动物一定是在那个时候发展起来的这对应于步骤 2：创建假设在 2000 年代初期，几位古生物学家，加拿大北部的埃尔斯米尔岛推断应该在那里发现过渡动物的化石。

这对应于步骤 3：根据假设进行预测这些科学家安排了对埃尔斯米尔岛的探险——第4 步：安排新的观察——并在 2004 年发现了这样一种过渡动物的化石，现在被称为提塔利克提塔利克化石的发现证实了进化假说，正如过去一个半世纪以来所做的许多其他观察一样。

他们来了，科学的 10 个最美丽的实验无论是在加速器中炸开亚原子粒子、对基因组进行测序还是分析遥远恒星的摆动，这些引起全世界关注的实验通常需要花费数百万美元来执行并产生大量数据供超级计算机在数月内处理一些研究小组已经发展到小公司的规模。

但最终，科学归结为个人的思想与神秘事物的斗争当纽约州立大学石溪分校哲学系成员、布鲁克海文国家实验室历史学家罗伯特·P·克雷斯（Robert P. Crease）最近要求物理学家提名有史以来最美丽的实验时，这 10 个获奖者主要是独奏表演，最多涉及几个助手。

本月的《物理世界》中列出的大多数实验都是在桌面上进行的，没有一个比计算尺或计算器需要更多的计算能力它们的共同点是它们集中体现了科学家称之为美的难以捉摸的品质这是古典意义上的美：仪器的逻辑简单，就像分析的逻辑简单一样，似乎就像希腊纪念碑的线条一样不可避免和纯粹。

混乱和模棱两可暂时被一扫而空，关于自然的新事物变得清晰起来《物理世界》的榜单是根据人气排名，第一名是一个生动地展示了物理世界量子性质的实验但科学是一个累积的事业——这是它美丽的一部分获奖者按时间顺序重新排列并在下方注释，提供了 2000 多年发现的鸟瞰图。

埃拉托色尼对地球周长的测量在现在称为阿斯旺的埃及小镇的夏至中午，太阳在头顶盘旋：物体没有投下阴影，阳光直接从深井中落下当他读到这个事实时，公元前三世纪亚历山大港的图书管理员埃拉托色尼意识到他掌握了估算行星周长所需的信息。

同一天，他测量了亚历山大港的阴影，发现那里的太阳光线有点倾斜，与垂直方向偏离了大约七度其余的只是几何假设地球是球形的，它的圆周跨度为 360 度因此，如果两个城市相距 7 度，这将构成整个圆的七分之三百六十——大约五十分之一。

根据旅行时间估计城镇相距 5,000 个“stadia”，埃拉托色尼得出结论，地球的大小一定是这个大小的 50 倍——周长为 250,000 个 stadia学者们对希腊体育场的长度各不相同，因此不可能知道他的准确度如何。

但根据某些估算，他仅下降了约 5%（排名：7）伽利略关于坠落物体的实验在 1500 年代后期，每个人都知道重的物体比轻的物体下落得更快毕竟，亚里士多德是这么说的一位古希腊学者仍然拥有如此大的影响力，这表明科学在黑暗时代已经衰落到了何种程度。

在比萨大学担任数学教授的伽利略·伽利莱 (Galileo Galilei) 厚颜无耻地质疑常识这个故事已经成为科学民间传说的一部分：据说他从镇上的斜塔上放下了两个不同的重物，表明它们同时着陆他对亚里士多德的挑战可能让伽利略失去了工作，但他已经证明了将自然而不是人类权威作为科学问题的最终仲裁者的重要性。

（排名：2）伽利略在斜面上滚球的实验伽利略继续完善他关于运动物体的想法他拿一块长 12 肘，宽半肘（约 20 英尺乘 10 英寸）的木板，在中间切出一个尽可能平直和光滑的凹槽他倾斜飞机，将黄铜球滚下，用一个水钟来计时——这是一个通过细管倒空到玻璃杯中的大容器。

每次跑完后，他都会称出流出的水的重量——他对经过时间的测量——并将其与球行进的距离进行比较亚里士多德会预测一个滚动的球的速度是恒定的：它的传输时间加倍，它穿过的距离就会加倍伽利略能够证明距离实际上与时间的平方成正比：将其加倍，球的距离将是其四倍。

原因是它不断被重力加速（排名：8）牛顿用棱镜分解太阳光艾萨克·牛顿出生于伽利略去世的那一年他于 1665 年毕业于剑桥大学三一学院，然后在家里躲了几年等待瘟疫结束他毫不费力地让自己忙碌起来常识认为白光是最纯粹的形式（再次是亚里士多德），因此有色光必须以某种方式改变。

为了验证这一假设，牛顿通过玻璃棱镜照射了一束阳光，并表明它分解成投射在墙上的光谱人们当然已经知道彩虹，但人们认为它们只不过是漂亮的畸变实际上，牛顿总结道，正是这些颜色——红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色、紫色以及它们之间的渐变——才是基本的。

表面上看似简单的一道白光，仔细一看，却是美丽的复杂（排名：4）卡文迪许的扭杆实验牛顿的另一个贡献是他的万有引力理论，该理论认为两个物体之间的吸引力随着质量的平方增加，随着它们之间距离的平方减小但首先重力有多强？。

1700 年代后期，英国科学家亨利·卡文迪什( Henry Cavendish ) 决定找出答案他拿了一根六英尺长的木棒，在两端分别系上小金属球，就像一个哑铃，然后把它挂在一根电线上放置在附近的两个 350 磅的铅球施加了刚好足以拉动较小球的重力，导致哑铃移动和线扭曲。

通过在每个臂的末端和表壳的侧面安装精细蚀刻的象牙片，他可以测量细微的位移为了防止气流的影响，该装置（称为扭力天平）被封闭在一个房间内，并用安装在每一侧的望远镜进行观察结果是对称为引力常数的参数进行了非常准确的估计，卡文迪什由此能够计算出地球的密度和质量。

埃拉斯托提尼测量了地球周围的距离卡文迪什称过它：6.0 × 1024 公斤，或约 13 万亿万亿磅（排名：6）杨氏光干涉实验牛顿并不总是对的通过各种争论，他使科学主流转向了光完全由粒子而不是波组成的信念。

1803 年，英国医生和物理学家托马斯·扬( Thomas Young ) 对这个想法进行了测试他在百叶窗上剪了一个洞，用一张厚纸盖住，上面有一个小针孔，然后用镜子转移了透过的细光束然后他取出“一张卡片，宽度约为三十分之一英寸”，将它沿光束的路径沿边举起，将其一分为二。

结果是形成了交替的明暗带的阴影——如果两束光束像波浪一样相互作用，就可以解释这种现象两个波峰重叠的地方出现了明亮的带，相互加强；暗带标记了波峰与波谷对齐的位置，相互抵消多年来，人们经常使用带有两个孔的卡片来分隔光束，反复进行演示。

这些所谓的双缝实验成为确定波状运动的标准——这一事实在一个世纪后量子理论开始时变得尤为重要（排名：5）傅科摆去年，当科学家们在南极上空安装一个钟摆并观察它摆动时，他们正在复制 1851 年在巴黎进行的著名示范。

法国科学家让-伯纳-莱昂·福柯用一根 220 英尺长的钢丝悬挂了一个 62 磅重的钟摆从万神殿的圆顶上取下铁球，让它开始运动，前后摇晃为了标记它的进展，他将一支手写笔连接到球上，并在下面的地板上放了一圈潮湿的沙子。

观众们都惊叹不已，钟摆莫名似乎在旋转，每一次摆动都留下些许不同的轨迹实际上，是先贤祠的地板在缓慢移动，福柯比以往任何时候都更令人信服地表明，地球绕地轴旋转在巴黎纬度，钟摆的轨迹每 30 小时完成一次顺时针旋转；在南半球它会逆时针旋转，而在赤道它根本不会旋转。

在南极，正如现代科学家所证实的，自转周期是 24 小时（排名：10）密立根的油滴实验自古以来，科学家们就研究过电——一种无形的本质，它以闪电的形式从天而降，或者只需用刷子穿过头发就可以产生1897 年（在一个很容易列出这个列表的实验中），英国物理学家 JJ Thomson 已经确定电由带负电的粒子——电子组成。

1909 年，由美国科学家罗伯特·密立根来测量它们的电荷他使用香水雾化器将微小的油滴喷入一个透明的腔室在顶部和底部是挂钩到电池的金属板，使一个正极和另一个负极由于每个液滴在空气中传播时都会带上轻微的静电，因此可以通过改变板上的电压来控制其下降速度。

（当这种电力与重力相匹配时，一个液滴——“就像黑色背景上的一颗明亮的星星”——会悬停在半空中）密立根观察了一个又一个的液滴，改变电压并注意到效果经过多次重复后，他得出结论，电荷只能假定某些固定值这些部分中最小的就是单个电子的电荷。

（排名：3）卢瑟福发现原子核当卢瑟福用放射性在曼彻斯特大学于1911年的实验，进行了原子一般认为具有嵌入内部-的“李子布丁”模型电子以包括正电荷的大糊状斑点但是，当他和他的助手向一层薄薄的金箔发射称为 α 粒子的带正电的微小射弹时，他们惊讶地发现其中有一小部分会反弹回来。

就好像子弹从果冻上弹了出来卢瑟福计算出，实际上原子毕竟不是那么糊状大部分质量必须集中在一个微小的核心中，现在称为原子核，电子在其周围盘旋随着量子理论的修正，这个原子的图像今天仍然存在（排名：9）杨氏双缝实验应用于单电子干涉

牛顿和杨关于光的本质都没有完全正确虽然它不是简单地由粒子构成，但也不能单纯地用波来描述在 20 世纪的前五年，马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦分别表明，光是在称为光子的包中发射和吸收的但其他实验继续验证光也是波状的。

在接下来的几十年里发展起来的量子理论才将这两种想法调和起来：光子和其他亚原子粒子——电子、质子等——表现出两种互补的特性；正如一位物理学家所说，它们是“波浪”为了向他人和他们自己解释这个想法，物理学家经常使用一个思想实验，其中用电子束而不是光来重复杨的双缝演示。

遵循量子力学定律，粒子流会一分为二，较小的流会相互干扰，留下与光投射相同的明暗条纹图案粒子就像波浪一样根据《今日物理学》杂志编辑彼得·罗杰斯 (Peter Rodgers)随附的一篇文章，直到 1961 年，才有人（图宾根的克劳斯·琼森 (Claus Jönsson)）在现实世界中进行了这项实验。

到那时，没有人对结果真正感到惊讶，并且该报告与大多数人一样，被匿名吸收到科学中（排名：1）更正：2002 年 9 月 27 日，星期五周二在《科学时报》上发表的一篇关于被物理学家选为历史上最美丽的 10 个实验的文章曾一度错误地引用了彼得罗杰斯编辑的杂志，该杂志首先印刷了这份名单。

这是物理世界，而不是今天的物理带有该文章的一幅画被确定为亨利·卡文迪什( Henry Cavendish)的图像，但被错误地出版它显示了另一位 18 世纪科学家约瑟夫普里斯特利，他没有出现在名单中

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