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2.1: 什么是科学？

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    像其他自然科学一样，环境科学收集有关自然世界的知识。 科学不仅仅是一个知识体系，科学提供了一种评估和创造新知识的手段。 科学方法包括仔细观察、记录保存、逻辑和数学推理、实验以及将结论提交给他人审查。 科学还需要大量的想象力和创造力；精心设计的实验通常被描述为优雅或美观。 科学具有相当大的实际意义，有些科学专门用于实际应用，例如预防疾病（图\(\PageIndex{a}\)）。 其他科学的发展主要是出于好奇心。 无论其目标如何，毫无疑问，科学已经改变了人类的生存，并将继续这样做。

    棒状细菌的显微镜视图
    图\(\PageIndex{a}\)：生物学家可能会选择研究大肠杆菌（大肠杆菌），这种细菌是我们消化道的正常居民，但有时也会导致疾病爆发。 在这张显微照片中，使用扫描电子显微镜和数字着色对细菌进行可视化。 （来源：Eric Erbe；USDA-ARS 克里斯托弗·普利的数字着色）

    但是，有些知识领域无法应用科学方法。 其中包括道德、美学或灵性之类的东西。 科学无法研究这些领域，因为它们不在物质现象、物质和能量现象的范围之内，无法观察和测量。

    证据、测量和观察

    科学家使用客观证据而不是主观证据，得出合理和合乎逻辑的结论。 客观的观察没有个人偏见，所有人都是一样的。 偏见是指偏爱一件事而不是另一件事，它可能导致不准确的结果。 人类天生有偏见，因此他们不可能完全客观；目标是尽可能不偏不倚。 主观观察基于一个人的感受和信念，是该个人（人物\(\PageIndex{b}\)）所独有的。

    瀑布在山谷里
    图\(\PageIndex{b}\)：这是黄石国家公园的黄石大峡谷。 关于这个问题的客观陈述是：“画面是瀑布。” 一个主观的说法是：“画面很漂亮。”

    科学家避免偏见的另一种方法是尽可能使用定量测量而不是定性测量。 定量测量用特定的数值表示。 定性观察是一般的或相对的描述。 例如，将岩石描述为红色或沉重的岩石是一种定性观察。 通过测量反射光的波长来确定岩石的颜色或通过测量其所含矿物质的比例来确定岩石的密度是定量的。 数值比一般描述更精确，可以使用统计计算进行分析。 这就是为什么定量测量比定性观测对科学家有用得多的原因。

    归纳推理和演绎推理

    所有形式的科学都有一个共同点：要知道的最终目标。 好奇心和探究是科学发展的动力。 科学家试图了解世界及其运作方式。 使用两种逻辑思维方法：归纳推理和演绎推理。

    归纳推理是一种逻辑思维形式，它使用相关的观察结果得出一般性结论。 这种推理在描述性科学中很常见。 生物学家等生命科学家进行观察并记录下来。 原始数据可以用图纸、图片、照片或视频作为补充。 从许多观察中，科学家可以根据证据推断出结论（归纳）。 归纳推理涉及通过仔细观察和分析大量数据得出的概括。 调查美国各地的土地使用情况（哪些区域是森林、农业、城市等），然后得出森林地区集中在西方的结论，就是描述性科学的一个例子。

    在演绎推理中，与归纳推理相比，思维模式朝着相反的方向移动。 演绎推理是一种逻辑思维形式，它使用一般原理或定律来预测具体结果。 根据这些一般原则，科学家可以推断和预测只要一般原则有效就有效的具体结果。 例如，可以预测如果某个地区的气候变暖，动植物的分布应该会发生变化。 已经对过去和现在的分布进行了比较，发现的许多变化与气候变暖一致。 发现分布的变化证明了气候变化的结论是正确的。 演绎推理或推理是基于假设的科学中使用的一种逻辑（见下文）。

    总而言之，归纳推理从具体（观察）转向一般（结论），演绎推理从一般推理（假设或原理）转向具体（结果）。

    这两种类型的逻辑思维都与科学研究的两个主要途径有关：描述性科学和基于假设的科学。 描述性（或发现性）科学旨在观察、探索和发现，而基于假设的科学则从特定的问题或问题以及可以检验的潜在答案或解决方案开始。 这两种研究形式之间的界限往往模糊不清，因为大多数科学研究都将两种方法结合在一起。 观察会引发问题，问题导致形成假设作为这些问题的可能答案，然后对假设进行检验。 因此，描述性科学和基于假设的科学处于持续的对话之中。

    科学也是一个社会过程

    科学家在会议上与同行分享他们的想法，寻求指导和反馈（图\(\PageIndex{c}\)）。 提交供发表的研究论文和数据由合格的同行（同一领域的专家科学家）进行严格审查。 科学审查过程旨在清除错误信息、无效的研究结果和疯狂的猜测。 因此，它既缓慢、谨慎又保守。 科学家往往要等到一个假设得到许多独立研究人员的大量证据支持后才将其接受为科学理论。

    一个男人在会议上举手。 他坐在一张长桌旁，周围环绕着其他与会者。
    图\(\PageIndex{c}\)：科学家通过发表和参加会议来共享信息。 此处显示的会议重点是花生和霉菌毒素（真菌产生的有害化学物质）的研究。 图片由莎朗·道迪（CC-BY-NC）拍摄。

    科学家的特征

    科学家所做的事情没有什么神秘之处，甚至没有什么特别不寻常的。 有很多方法可以解决科学问题。 它们都需要常识。 除此之外，它们都显示了某些特征，这些特征是科学的特征，但不是独一无二的特征。

    • 怀疑主义 — 优秀的科学家在判断证据时使用高度批判的标准。 他们处理数据、索赔和理论（理想情况下，甚至是他们自己的理论！） 怀着健康的怀疑态度。
    • 对不确定性的容忍 — 科学家通常工作多年，有时甚至是整个职业生涯，试图理解一个科学问题。 这通常涉及找到一段时间以来不符合任何连贯模式的事实，甚至可能支持相互矛盾的解释。 有时候，当人们倾听科学家大力捍卫自己的观点时，他们的信心似乎是绝对的。 但是在他们内心深处，他们知道自己的观点是基于概率的，并且随时可能出现新的证据，迫使他们的观点发生重大转变。
    • 尽管他们当然不能垄断辛勤工作，但他们愿意长时间工作和多年来寻找问题是所有优秀科学家的标志。 因为科学是艰苦的工作。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：