Sự hình thành quy luật khoa học diễn ra như thế nào?

Vì vậy, bằng chứng là điểm khởi đầu nhưng chưa đủ. Điều quan trọng hơn là từ bằng chứng phải nhận diện được một cấu trúc quan hệ có khả năng lặp lại, dự đoán những trường hợp chưa quan sát và đứng vững trước các phép kiểm tra độc lập. Khi một quan hệ chỉ đúng trong những điều kiện nhất định, chính các điều kiện đó trở thành một phần của phạm vi hiệu lực của quy luật.

Từ quan sát riêng lẻ đến một quan hệ có tính ổn định

Điểm xuất phát của sự hình thành quy luật khoa học thường là một tập hợp quan sát hoặc kết quả thực nghiệm. Mỗi quan sát riêng lẻ chỉ cho biết điều gì đã xảy ra trong một trường hợp cụ thể. Muốn tiến tới một quy luật, nhà khoa học phải tìm xem nhiều trường hợp có cùng biểu hiện một cấu trúc quan hệ hay không.

Chẳng hạn, nếu thay đổi một đại lượng và nhận thấy một đại lượng khác cũng thay đổi theo một cách có hệ thống, dữ liệu có thể gợi ý rằng giữa chúng tồn tại một quan hệ ổn định. Nhưng sự cùng biến đổi chưa tự động tạo thành quy luật. Nhà nghiên cứu còn phải loại trừ khả năng quan hệ đó chỉ là ngẫu nhiên, do sai số đo hoặc do một yếu tố khác chưa được kiểm soát.

Đây là điểm khác biệt giữa việc “thấy một mẫu hình” và xác lập tri thức khoa học. Mẫu hình ban đầu chỉ là tín hiệu. Nó cần được kiểm tra trên nhiều phép đo, điều kiện và trường hợp khác nhau để xác định liệu cấu trúc quan hệ có thực sự tái xuất hiện hay không.

Trong trường hợp định luật Boyle, chẳng hạn, các phép đo về khí cho thấy khi nhiệt độ và lượng khí được giữ cố định, áp suất và thể tích thay đổi theo quan hệ nghịch đảo. Điều trở thành nội dung khoa học quan trọng không phải một giá trị áp suất hoặc thể tích riêng biệt, mà là cấu trúc quan hệ giữa hai đại lượng trong những điều kiện đã xác định.

Bằng chứng phải cho thấy không chỉ sự lặp lại mà cả cấu trúc của quan hệ

Một quy luật khoa học thường mô tả cách các đại lượng hoặc hiện tượng liên hệ với nhau. Do đó, bằng chứng có giá trị không chỉ vì cùng một hiện tượng xuất hiện nhiều lần, mà vì các lần quan sát cùng hỗ trợ cho một dạng quan hệ nhất quán.

Nếu chỉ quan sát rằng “A thường xuất hiện cùng B”, ta mới có một liên hệ thực nghiệm sơ bộ. Để phát triển thành một quy luật, cần xác định rõ hơn A và B biến đổi với nhau như thế nào, trong điều kiện nào, quan hệ có giữ nguyên khi thay đổi phạm vi quan sát hay không và nó tạo ra dự đoán gì.

Trong nhiều ngành khoa học, bước này dẫn đến việc lượng hóa. Quan hệ có thể được biểu diễn bằng phương trình, tỷ lệ hoặc một mệnh đề xác định. Việc lượng hóa làm tăng khả năng kiểm tra vì từ quan hệ đã nêu có thể tính trước kết quả mong đợi rồi so sánh trực tiếp với dữ liệu thực nghiệm.

Các định luật Kepler là một ví dụ điển hình. Dữ liệu quan sát vị trí các hành tinh không tự nó là quy luật. Giá trị khoa học xuất hiện khi dữ liệu được tổ chức thành các quan hệ xác định về quỹ đạo, diện tích quét và chu kỳ chuyển động. Nhờ vậy, các phát biểu không chỉ mô tả dữ liệu đã có mà còn có thể được đối chiếu với những quan sát tiếp theo.

Quan hệ quan sát được phải được chuyển thành một phát biểu có thể kiểm chứng

Sau khi nhận diện một mẫu hình ổn định, nhà khoa học cần biểu diễn nó thành một phát biểu đủ chính xác để có thể bị dữ liệu thực tế xác nhận hoặc bác bỏ.

Đây là một bước quyết định. Một phát biểu mơ hồ như “đại lượng này ảnh hưởng mạnh đến đại lượng kia” rất khó kiểm tra. Ngược lại, nếu phát biểu xác định đại lượng nào thay đổi, thay đổi theo hướng nào, với quan hệ nào và trong điều kiện nào, nó tạo ra các hệ quả có thể quan sát.

Một quy luật khoa học vì thế thường có ba thành phần gắn với nhau: quan hệ được mô tả, các điều kiện mà quan hệ được kỳ vọng sẽ tồn tại và những kết quả có thể dự đoán từ quan hệ đó.

Khả năng dự đoán đặc biệt quan trọng. Nếu một quan hệ chỉ được điều chỉnh để khớp với các trường hợp đã biết nhưng không cho biết điều gì sẽ xảy ra trong trường hợp mới, sức mạnh kiểm chứng của nó thấp hơn. Khi một phát biểu liên tục đưa ra những dự đoán phù hợp với bằng chứng chưa được dùng để xây dựng nó, niềm tin khoa học đối với quan hệ đó được củng cố.

Tuy nhiên, kết quả phù hợp không biến phát biểu thành chân lý tuyệt đối. Nó chỉ cho thấy phát biểu tiếp tục vượt qua các phép kiểm tra trong phạm vi đã khảo sát.

Kiểm chứng lặp lại giúp phân biệt quy luật ổn định với mẫu hình tình cờ

Một vài kết quả phù hợp có thể xuất hiện do ngẫu nhiên, sai số đo hoặc cách lựa chọn dữ liệu. Vì vậy, một quan hệ khoa học cần được kiểm tra lặp lại.

Sự lặp lại có giá trị khi phép thử mới thực sự có khả năng phát hiện sai lệch. Các nhà nghiên cứu có thể thay đổi mẫu quan sát, thiết bị, phương pháp đo hoặc phạm vi điều kiện trong khi vẫn kiểm tra cùng một quan hệ cơ bản. Nếu kết quả tiếp tục phù hợp, khả năng quan hệ chỉ là sản phẩm của một thí nghiệm riêng biệt giảm xuống.

Kiểm tra độc lập cũng có vai trò quan trọng. Khi nhiều nhóm nghiên cứu có thể quan sát cùng một cấu trúc mà không phụ thuộc hoàn toàn vào cùng dữ liệu hay cùng quy trình ban đầu, bằng chứng trở nên mạnh hơn.

Cơ chế này giải thích vì sao sự hình thành quy luật khoa học không thể rút gọn thành phép suy luận “đã xảy ra nhiều lần nên luôn luôn xảy ra”. Số lần lặp là một phần của bằng chứng, nhưng chất lượng của phép kiểm tra, khả năng tái lập, mức độ chính xác của dự đoán và sự đa dạng của điều kiện kiểm tra mới quyết định sức mạnh của bằng chứng.

Không có một số lần lặp cố định mà sau đó một quan hệ tự động trở thành quy luật khoa học. Yêu cầu bằng chứng phụ thuộc vào bản chất hiện tượng, độ chính xác của phép đo và khả năng kiểm soát các yếu tố liên quan.

Điều kiện và giới hạn là một phần của chính quy luật

Một hiểu nhầm phổ biến là quy luật khoa học phải đúng tuyệt đối ở mọi nơi và mọi điều kiện. Trên thực tế, nhiều quy luật có một miền áp dụng xác định.

Khi một quan hệ được kiểm tra, nhà khoa học không chỉ hỏi “nó có đúng không?” mà còn phải hỏi “nó đúng trong những điều kiện nào?”. Nếu quan hệ chỉ giữ được khi nhiệt độ không đổi, vận tốc thấp hơn một miền nhất định hoặc hệ thống gần trạng thái lý tưởng, những điều kiện đó không phải chi tiết phụ. Chúng xác định phạm vi của phát biểu.

Định luật khí lý tưởng cho thấy rõ nguyên tắc này. Quan hệ PV=nRT là mô hình rất hữu ích đối với nhiều hệ khí, nhưng khí thực có thể lệch đáng kể khỏi mô hình trong những điều kiện như áp suất cao hoặc nhiệt độ gần vùng ngưng tụ. Sai lệch đó không khiến toàn bộ tri thức trước đó trở nên vô nghĩa; nó cho thấy miền mà mô hình đơn giản không còn mô tả đủ chính xác hệ thống.

Do đó, quá trình kiểm chứng còn có chức năng tìm ranh giới của quy luật. Một phép thử thất bại có thể cho thấy phát biểu ban đầu sai, nhưng cũng có thể cho thấy cần xác định phạm vi áp dụng hẹp hơn hoặc xây dựng một mô hình tổng quát hơn.

Quy luật khoa học là kết quả của bằng chứng kết hợp với mô hình hóa và suy luận

Không thể xem quy luật khoa học là một bản sao trực tiếp của dữ liệu. Dữ liệu gồm những phép đo và quan sát cụ thể, còn quy luật là phát biểu tổng quát về quan hệ giữa các hiện tượng hoặc đại lượng.

Khoảng cách giữa hai cấp độ đó được nối bằng suy luận khoa học. Nhà nghiên cứu phải quyết định đại lượng nào có ý nghĩa, cách biểu diễn chúng, quan hệ nào đáng kiểm tra và liệu một mô hình đơn giản có giải thích được mẫu dữ liệu hay không.

Vì thế, cùng một tập dữ liệu ban đầu đôi khi có thể tương thích với nhiều cách mô tả. Các phép thử tiếp theo giúp phân biệt chúng bằng cách tìm những trường hợp mà các mô hình đưa ra dự đoán khác nhau. Mô hình nào tiếp tục phù hợp tốt hơn với bằng chứng sẽ được hỗ trợ mạnh hơn.

Điều này cũng cho thấy bằng chứng không “tự nói lên” một quy luật duy nhất. Sự hình thành quy luật là sự kết hợp giữa quan sát, đo lường, nhận diện quan hệ, biểu diễn lý thuyết và kiểm nghiệm.

Một quy luật được chấp nhận khi tiếp tục đứng vững trước bằng chứng mới

Sự hình thành quy luật khoa học không có một thời điểm tuyệt đối tại đó một phát biểu được chứng minh vĩnh viễn. Thay vào đó, mức độ chấp nhận tăng lên khi nhiều dòng bằng chứng độc lập cùng hỗ trợ một quan hệ và các dự đoán của nó tiếp tục thành công.

Một quan hệ có cơ sở mạnh thường thể hiện một số đặc điểm đồng thời: phù hợp với dữ liệu quan sát, tạo ra dự đoán kiểm tra được, được kiểm nghiệm lặp lại, hoạt động trong phạm vi điều kiện xác định và không dễ bị thay thế bởi một mô tả khác có sức giải thích hoặc dự đoán tốt hơn.

Nếu bằng chứng mới có độ tin cậy cao liên tục mâu thuẫn với phát biểu hiện tại, khoa học không có nghĩa vụ bảo vệ quy luật cũ. Phạm vi của nó có thể được điều chỉnh hoặc một mô hình mới có thể thay thế nó.

Vì vậy, “quy luật” trong khoa học không đồng nghĩa với một quy tắc bất biến do con người tuyên bố. Đó là một mô tả có cơ sở thực nghiệm mạnh về một tính đều đặn của tự nhiên trong phạm vi mà bằng chứng hiện có hỗ trợ.

Sự hình thành quy luật khoa học có thể hiểu như một chuỗi liên kết: quan sát cung cấp dữ liệu; dữ liệu cho phép nhận diện một quan hệ ổn định; quan hệ được diễn đạt thành phát biểu hoặc mô hình có khả năng dự đoán; dự đoán được đối chiếu với quan sát và thí nghiệm mới; các phép kiểm tra lặp lại xác định cả độ tin cậy lẫn giới hạn áp dụng.

Điểm cốt lõi là không bước nào trong chuỗi này có thể thay thế hoàn toàn các bước còn lại. Quan sát mà không có nhận diện quan hệ chỉ tạo ra dữ liệu. Quan hệ mà không có kiểm chứng mới chỉ là giả thuyết. Kiểm chứng mà không xác định điều kiện áp dụng có thể dẫn đến khái quát hóa quá mức. Một quy luật khoa học trở nên đáng tin cậy khi toàn bộ các yếu tố đó cùng hội tụ và tiếp tục đứng vững trước bằng chứng mới.