作者：洪郁豪/有勁基因
依稀記得學生時代剛開始接觸自然課程時，課程內容一開場就是介紹科學研究的進行方式：首先，要透過觀察事實提出問題，建立假說，然後才設計實驗去驗證假說。驗證成功的話就有機會建立理論，或者成為定律；驗證若是失敗，則需要重新設計實驗繼續驗證，或是提出新的假說。當時還是小孩的我們，對這些內容可能強記多過體會，這些「科學研究的根本」或許之後也逐漸被我們忘記，大家只記得要趕快取得自己想要的實驗結果，忽略了科學研究首先應該要細膩觀察、清楚自己要問的問題是什麼、以及「提出的假設是否能回答自己所提出的問題」。透過本文，我想回歸初心再一次審視科學研究進行的方式。
科學家在尋求問題解答時，會採取一連串觀察、假說制定與實驗設計等程序，並且時常重覆觀察、假說、實驗這個「科學研究方法」的循環流程(如圖一所示)。觀察可以是定性或定量的，定性觀察不涉及數字單位，如：食鹽是固體結晶、硫磺結晶是黃色。定量觀測則包含測量數字與單位，如：硫的結晶熔點為115.21°C、100克的水在20°C時最多能溶解35.9克的氯化鈉。1
圖一、科學研究方法
如流程圖所示，科學研究方法包括觀察(Observation)、假說制定(Hypothesis)與實驗設計(Experiment)等步驟，而實務上，科學家有可能會從圖上任何一點直接切入進行。(圖片來源：LibreTexts Chemistry. Hypothesis, Theories, and Laws. 2019, January 15.)
針對觀察所得，科學家一般會先擬定一個「假說(Hypothesis)」，再開始著手調查。所謂「假說」是指對觀察結果的初步解釋。舉例來說：透過觀察，我們發現晝夜有更替變化的情形，因此提出了如下兩種可能的假設。1
1. 地球每24小時繞其軸自轉一次，使每側交替暴露於太陽下。
2. 太陽每24小時繞地球公轉一次。
「假說」既是對觀察結果的初步解釋，當然未必正確，但卻可以透過進一步觀察去檢視並進行修正。科學家在假說擬定之後，還需設計實驗去檢驗假說的有效性。實驗，是一種系統性的觀測或測量活動，須在最佳的可控條件之下進行，且一次實驗僅會設定一個可變因子。1我們都聽過這些規則，但在我們實際設計實驗確認和研究題目有關的可能因子時，卻經常忽略了這些。舉例來說，為了減少可變因子，實驗設計應盡可能嚴謹至採用同一台儀器或同一個貨號的試劑；又譬如：若想知道降低核酸使用量是否會影響建構出來的基因庫品質，就不該同時為提升基因庫產出總量而隨意增加聚合連鎖反應的循環數。
理論(Theory)，是對所觀察到自然現象的「解釋」，旨在探討自然現象發生的原因。理論不是根據猜測來的，是需要經過反覆觀察與實驗並獲得充分科學證實才能被成立，且成立的目的並不是為了「預測」(雖然我們有時是可以利用理論去對自然現象進行預測)。1,2
定律(Law)，則旨在「描述」自然界特定條件下被觀察到的行為規律，而不去探討現象發生的原因；會以文字、或更常見的是以方程式的形式呈現，且可被當作預測自然界行為規律的原則。例如：氯化鈉中的鈉與氯質量百分比是固定的，鈉含量為39.34％、氯含量為60.66％。1,2
理論與定律同樣都無法輕易被改變或推翻，也都有得到觀察和/或實驗證據上的充分支持。但是，定律不太可能隨著時間轉換而出現很大的變化，除非是支持定律的重要實驗證據被發現有誤2。相較於定律，理論就沒那麼不動如山；隨著時間轉換，原先的說法有可能會被新發現的事證與論述所取代，如上圖一最下方的理論模型循環所示。只不過要改變一個理論也沒那麼簡單，也是得通過漫長又艱辛的過程才辦得到。1,2
根據筆者學生時代學到的定義，我們一直認為「理論也有被「進一步」驗證成為科學定律的機會」、以及「實驗失敗無法證明假說時就要重新設計實驗」。但是現在的定義則告訴我們，「理論和定律其實有著本質上的不同，即便積累了足夠的數據和證據，理論也不會隨著科學的發展而變成定律」；同時，「實驗結果無法證明假說時，未必代表實驗設計失敗，也可能是證實了假說的錯誤」。1,2由此可見，任何一個理論或定律的建構，本來就是許多成功與試誤的實驗經驗累積、以及假說修正的結果(如圖一所示)。下次當主管或教授問你「為什麼這次的實驗結果跟上次報告不同」時，你就可以充滿自信的回答「沒有經過大量實驗經驗的累積，假說是不會變成理論或定律的，而且，假說本來就是可以被改變的」。至於說完後果會如何，筆者無法負責就是了……。
參考文獻
1. LibreTexts Chemistry. The Scientific Method - How Chemists Think. (2019, January 15). Retrieved April 4, 2021, from https://chem.libretexts.org/@go/page/129636
2. LibreTexts Chemistry. Hypothesis, Theories, and Laws. (2019, January 15). Retrieved April 4, 2021, from https://chem.libretexts.org/@go/page/129635
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