Metoder i Astronomi/Fysik

Hvad søger Astronomi/Fysik?

Naturvidenskab søger en objektiv beskrivelse og forklaring på fænomener i naturen.

Astronomi/Fysik forsøger at give en objektiv beskrivelse af fænomener i den konkrete omverden, dvs. en person-uafhængig beskrivelse. Andre fysikere skulle gerne nå til samme konklusion.

Hvordan får man ny viden i Astronomi/fysik?

I fysik/Atronomi (og andre naturvidenskaber) benytter man sig af den naturvidenskabelige metode. To hovedbegreber her er teori og eksperiment.

I den naturvidenskabelige metode indgår to delelementer: den empirisk-induktive metode og den hypotetisk-deduktive metode, som vi beskriver nu.

Den empirisk-induktive metode

Den empirisk-induktive metode består i, at man

  1. ud fra mange observationer eller gentagelser af et eksperiment, empiri (fx at kigge på svaner) kommer med en formodning, dvs. man inducerer en teori (fx om alle svaner er hvide).

Ofte er teorien formuleret som en matematisk model, fx i form af en ligning, der beskriver en sammenhæng mellem de indgående størrelser.

Den induktive metode er god til idé-generering. Den er sårbar, fordi der kan være modeksempler, man ikke har opdaget. For eksempel findes der faktisk sorte svaner (!).

Eksempel: Newton så, at et æble faldt til jorden, ligesom andre ting. På den baggrund kom han med den formodning om den generelle lovmæssighed, at alle masser tiltrækker hinanden. Det viste sig, at det så også kunne forklare fx at Månen kredser om Jorden, og at Jorden bevæger sig i en bane om Solen – i begge tilfælde pga massetiltrækning.

Den hypotetisk-deduktive metode

Nu har vi så en teori, men den skal så testes. Her kommer den hypotetisk-deduktive metode på banen. Den hypotetisk-deduktive metode består i: Ud fra en teori udleder, dvs. deducerer man en

  1. hypotese, som er en forudsigelse om, hvordan verden vil opføre sig i en bestemt situation.
  2. Man udfører et eksperiment for at checke, om hypotesen så faktisk holder stik.
  3. Så ser man på, om eksperimentet bekræftede eller afkræftede hypotesen.
    • Hvis hypotesen afkræftes, må man gå helt tilbage og lave sin teori om! Det er ingen skam. Mange store erkendelser i historien er sket ved, at nogen har opdaget, at det, man troede fuldt og fast, ikke holdt stik.
    • Hvis hypotesen bekræftes, er man glad 😊. Og så kan man – jublende – gå tilbage til punkt 2 og lave endnu flere eksperimenter (evt. med ændrede betingelser) for at teste hypotesens forudsigelser om, hvordan verden vil opføre sig.

Når et eksperiment går, som hypotesen forudsiger, bliver teorien styrket. ”Bevist” bliver den aldrig. Et eksempel er Relativitetsteorien. Siden Newton havde man vidst, hvordan mekanik fungerer … men så fandt nogen (Einstein) på at påstå, at der var lidt ændringer i lovene, når man bevæger sig med en hastighed tæt på lysets hastighed. Det var der aldrig nogen, der før havde kunnet se efter – men da man gjorde det, viste det sig, at Einstein havde ret. Vi har dog ikke smidt Newtons love væk, vi benytter dem stadigvæk, de har bare et begrænset anvendelsesområde.

I Astronomi/fysik ligesom i al naturvidenskab kan man hverken bevise eller modbevise noget. Der er ikke noget, der er ”sandt” eller ”falsk” i ordenes strengeste betydning. Men jo flere eksperimenter, der bekræfter en teori, desto mere tror vi på, at teorien er en nyttig og brugbar beskrivelse af omverdenen.

Betegnelser som ”fysikkens love”, ”Newtons love”, ”Ohms lov” er altså egentlig misvisende, idet de antyder en absolut sandhed, som ikke findes i naturvidenskab.

Astronomiens/Fysikkens genstandsområde

Astronomi/Fysik beskæftiger sig med det konkret observerbare i tid og rum. Genstandsområdet er pr. definition hele universet fra det største til det mindste i al tid. Nogle videnskaber specialiserer sig derudover i dele heraf, men der er ikke noget, der falder uden for, hvad man kan beskæftige sig med i Astronomi/fysik.

Men der er selvfølgelig erkendelsesområder, som ikke falder inden for Astronomis/fysiks genstandsfelt, først og fremmest fordi den naturvidenskabelige metode ikke er brugbar til at give ny viden på disse områder.

Her er nogle eksempler på påstande, Astronomi/fysik ikke forholder sig til:

  1. Først og fremmest påstande, der ikke kan falsificeres. For eksempel: ”Der findes en Gud”. Du får svært ved at komme med et eksperiment, der ville kunne vise, at der ikke findes en gud (prøv!). Dette spørgsmål er en sag for religion. Men der er intet i vejen for, at den enkelte fysiker er troende.
  2. Påstande, der drejer sig om vilje eller motiv. For eksempel: ”Universet blev skabt, fordi …”. Det er spekulation om motiv. Det vil fysikfaget undgå. Den enkelte fysiker kan sagtens have meninger om allehånde motiver; men det er en anden sag.
  3. Påstande om værdi eller norm. For eksempel: ”Man bør af hensyn til miljøet flyve mindre”. Det kan naturvidenskab ikke besvare; det er et etisk spørgsmål. Men fysikere kan bidrage med viden om, hvorvidt flytrafik belaster miljet, og fysikere kan hjælpe til at udvikle bæredygtige alternativer forbedre jetmotorers brændstoføkonomi, udvikle nye fremdriftsmidler osv.

Lidt flere nuancer

Eksperimenter og observationer

Vi tænker oftest på den eksperimentelle metode som arbejde, der foregår i et laboratorium med et eksperiment, vi selv har stillet op. Men meget eksperimentelt arbejde er i virkeligheden observationer af omverden – et oplagt eksempel er astronomi, astrofysik og kosmologi. Et andet eksempel er boringer på Grønlands indlandsis, hvor man henter lange stænger af is op – iskerner – som er tusindvis af år gamle, og ved at undersøge isotopsammensætningen i disse iskerner kan sige noget om klimaet og forurening for 10.000-100.000 år siden.

Fordelen ved eksperimentelt arbejde er, at vi selv aktivt kan styre og ændre én størrelse ad gangen og finde sammenhænge.
Ved observationer har man ikke mulighed for selv at styre eksperimentet. Men der er mange sammenhænge, hvor observationer er ens eneste chance for at lære nyt – man kan jo fx ikke så godt flytte rundt på stjerner.

Kvalitative og kvantitative data

I eksperimenter vil vi som regel måle tal, dvs. vi får kvantitative data. Men af og til er der eksperimenter med kvalitative data. Et eksempel: Læg en isterning fra fryseren på en plade af metal og en anden isterning på et træbord. Hvor smelter isen hurtigst? (Har du selv et bud? Træpladen føles jo varmere end metalpladen, så … eller … ?).
Hvordan arbejder man eksperimentelt?
Meget tidlige beskrivelser af eksperimentelt arbejde stammer fra Galileo Galile i 1600-tallet. Nogle karakteristika er :

  1. Eksperimenter beskrives så nøjagtigt, at andre fysikere kan reproducere forsøget for at se, om de når til samme resultat
  2. Man forsøger at lave måleserier, hvor man kun ændrer én størrelse ad gangen (variabelkontrol) – for at være sikker på at vide, hvad der var årsagen til ændrede resultater
  3. Man gentager forsøget mange gange, fordi gennemsnittet bliver mere præcist
  4. Man forsøger at sætte tal på snarere end alene at se på fænomener – man kvantificerer.
  5. Endelig er det væsentligt, at man søger en matematisk model for de observationer, man gør. For eksempel en matematisk model om, at stråling fra et radioaktivt stof med én type radioaktive nuklider aftager eksponentielt med tiden.

Litteratur

Peter Føge og Bonnie Hegner (red): ”Primus 1. Almen studieforberedelse i grundforløbet”. Systime 2005. Side 69-87: Hanne Hautop Lund: Naturvidenskab.

Mogens Hansen (red): ”Almen Studieforberedelse. Videnskabernes temaer og historie”. København, Gyldendal 2007. Side 25-52: Niels Hartling: Naturvidenskab.

Christian Lund: ”Videnskabsteori og faglige metoder”. Frydenlund, Frederiksberg 2011.

Rangvid, Benoni, Svane, Ølsgaard: ”Vidensmønstre – tværfaglig refleksion i AT”. Systime 2012.

Steffen Samsøe: ”Naturvidenskabelige metoder. En opslagsbog til biologi, fysik, kemi og naturgeografi”. L&R Uddannelse, København 2012.