Kemi og videnskabsteori

Det følgende er en beskrivelse af metoder i faget kemi. Første del handler om generel videnskabsteoreti i naturvidenskab. Anden del har fokus på praktiske metoder – altså konkrete laboratorietekniske metoder.

Indledning

Der er ikke tradition for at skrive om videnskabsteoretiske metoder i de naturvidenskabelig fag. Det er selvfølgelig ikke det samme som at videnskabsfolk ikke er bevidste om hvad den naturvidenskabelige metode er, men mantraet har altså været ca sådan her:

“Videnskabsteori er lige så nyttigt for naturvidenskab, som ornitologi er nyttigt for fugle.” -Richard Feynman

I læreplanen for SRO/SRP står der imidlertid, at man i den mundtlige prøve skal foretage basale videnskabsteoretiske overvejelser.Det er kun i den mundtlige prøve og ikke i selve opgaven, at der er krav om videnskabsteori. Hvis man vælger at skrive noget (kort!) om videnskabsteori i opgaven, kan det selvfølgelig danne en naturlig basis for inddragelsen af videnskabsteori ved prøven.

Videnskabsteoretiske metoder i kemi

Kemi hører under det naturvidenskabelige fakultet, og tit vil der i litteraturen til et emne blot stå at der er anvendt den naturvidenskabelige metode, hvis der overhovedet står noget. Der er nemlig ikke særlig stort fokus på videnskabsteoretiske metoder i den naturvidenskabelige litteratur, til gengæld er der streng overholdelse af idealer tilknyttet positivismen.

Den naturvidenskabelige metode skal nærmere forstås som en måde at arbejde og formidle sit arbejde på, så ens eksperimenter og resultater er reproducerbare for andre, end som en egentlig metode.

Empiri i kemi

Empirien i kemi er altid baseret på observationer, og disse observationer kan enten være gjort på baggrund af et eksperiment eller på baggrund af passive observationer.

Eksperimentelt vs observationelt

Man kan arbejde eksperimentelt eller observationelt ved indsamling af empiri. Når man arbejder eksperimentelt, gør man sig stadig observationer, men man har mulighed for at lave indgreb eller manipulere med forsøgsbetingelserne, og derved påvirke observationerne.

Arbejder man observationelt gør man sig passive observationer. Man arbejder typisk observationelt fordi indgreb er udenfor ens “rækkevidde”. Det kan være fordi den reaktion man ser på, foregår indeni en plantecelle, eller ude i verdensrummet.

Det kan virke forvirrende at man gør sig observationer i begge måder at arbejde på, men skellet ligger altså i hvordan man har gjort sig observationerne.
NB: I naturvidenskab arbejder man ikke observationelt ved at læse om hvad andre har gjort. Hvis man ikke selv har indsamlet empiri (og andres artikler eller bøger er ikke naturvidenskabelig empiri) har man hverken arbejdet observationelt eller eksperimentelt. Men forfatterne til artiklerne har muligvis arbejdet observationelt eller eksperimentelt, og d´et er værd at have styr på.

Kvalitativ vs kvantitativt

Empirien i kemi kan være kvalitativ eller kvantitativ. Et eksempel på en kvalitativ observation er om en reaktion udvikler varme eller ej. Eller “dette molekyle er rødt eller farveløst”. Det er begge kvalitative (enten-eller) egenskaber.

Dette er forskelligt fra måden begrebet kvalitativ anvendes på i humaniora, og man må ikke blande det sammen. Den naturvidenskabelige kvalitative empiri er faktisk næsten altid kvantificerbar; “hvor meget varme udvikler reaktionen” etc.

Hypotese og teori

Det er (desværre) ikke sidste gang man vil høre “at den ene teori vel er ligeså god som en anden”, underforstået at en teori er noget spekulativt skidt udtænkt i hjernen af en pervers forsker og præcis ligeså anvendelig som tandpasta uden fluor.

Hypotesen

En hypotese er en foreslået forklaring på et observeret fænomen. En videnskabelig hypotese er det samme, men med den skærpelse at forklaringen skal kunne testes! Videnskabelige hypoteser underkastes derfor falsifikationstest. Bestås testen siges hypotesen at være verificeret, men det er ikke det samme som at hypotesen er sand, det kan man i sagens natur aldrig få vished om.

Typisk er videnskabelige hypoteser dannet på baggrund af observationer, som de gængse teorier ikke kan forklare.

Teorien

En videnskabelig hypotese som har bestået mange og strenge falsifikationstest, og som er i stand til at forudsige nye eksperimentelle resultater kan kaldes for en teori. Der er meget mere at sige om begrebet teori, men kort sagt er en videnskabelig teori den stærkeste, mest troværdige, mest stringente og mest omfattende form for viden vi har.

Naturvidenskabs to metoder

Naturvidenskab handler om at undersøge, forklare og forudsige fænomener i naturen, og til dette er der, lidt firkantet sagt, de følgende to måder at arbejde p˚a:

Den induktive metode

I den induktive metode, som også nogle gange kaldes den empirisk-induktive metode, udformes en hypotese på baggrund af et sæt af observationer – empirien. Observationerne kan være gjort mere eller mindre systematisk, eller i første omgang helt og aldeles på baggrund af en tilfældighed.

Det væsentlige er at hypotesen er dannet alene på baggrund af empirien, og at man ikke på forhånd har en ide om hvad man leder efter.

Den hypotetisk-deduktive metode

I den hypotetisk deduktive metode arbejder man med en hypotese som er formuleret på forhånd. Hypotesen verificeres eller falsificeres altid ved undersøgelse af empiri, og det er vigtigt at ens forsøgsdesign er korrekt i forhold til den hypotese man ønsker at undersøge.
Forskellen i forhold til den induktive metode er altså at man i den hypotetiskdeduktive metode leder efter noget bestemt.
Hvis ens hypotese verificeres, kan den måske blive “forfremmet” til en teori.

Kombineret induktiv-deduktiv metode

Flosklen “alle store opdagelser er gjort ved et tilfælde” er ikke helt ved siden af. Ofte er det ved undersøgelsen af ´et fænomen, hvor der pludseligt dukker uventede resultater op at ny viden skabes. Kunsten, det den dygtige forsker formår, er at indse at de irriterende afvigelser i resultaterne eller den mærkelige forurening i produktet fortjener et nærmere eftersyn.

I dette øjeblik arbejdes der induktivt: I undersøgelsen af empirien dukker noget ukendt op, som måske/måske ikke kan føre til en ny hypotese. Når hypotesen er fremsat, er det er helt normalt at skifte arbejdsgang, og begynde at arbejde hypotetisk-deduktivt, for at teste den nye hypotese.

Praktiske metoder

Der er et stadigt voksende arsenal af praktiske metoder eller teknikker indenfor kemi-faget. Det følgende er derfor ikke ment som en udtømmende gennemgang af laboratorieteknikker, men mere nogle generelle ting man bør vide.

Kemiske analyser

Kemisk analyse kan udføres på mange forskellige måder, eksempler kunne være titrering, pH-måling, absorptionsmåling, IR- og NMR-spektroskopi, massespektrometri etc. Det følgende kan ses som nogle af de aspekter man bør være opmærksom på ved kemisk analyse.

Usikkerheder

Usikkerhed er den præcision en måling er gjort med. Et termometer som kun kan vise temperaturen med en præcision på 1 giver anledning til større usikkerhed end et termometer med en præcision på 0,1. Usikkerheder påvirker hver enkelt måling tilfældigt, så ved at lave mange målinger kan usikkerheden forbedres.

Fejlkilder

Fejlkilder er systematiske målefejl. Det kan f.eks. være at et spektrofotometer konsekvent måler for høj absorbans, eller at en pH-elektrode er fejlkalibreret og altid måler pH 0,1 for lavt. En fejlkilde vil påvirke hver eneste måling i den samme retning, deri systematikken.

Detektionsgrænse

Detektionsgrænsen er den nedre grænse for hvornår et givet stof kan måles/påvises. Det giver ingen mening at forsøge at måle forureningen af et givet stof, hvis ens apparat ikke er følsomt nok.

Interferens

Kan man være sikker på at den målemetode man har valgt, giver et pålideligt resultat, eller giver den positivt udslag ved tilstedeværelsen af andre stoffer? Nogle gange må man lave den samme måling med forskellige teknikker for at eliminere denne mulighed.

Kliniske forsøg

Nye lægemidler skal testes for effikacitet og bivirkninger, og det gøres ofte først ved computersimulationer, dernæst ved forsøg på dyr og endelig med frivillige forsøgspersoner, inden medicinen kan godkendes og sendes på markedet. Det er en kompliceret affære at undersøge og der er mange faldgruber. De følgende underafsnit er aspekter man skal være opmærksom på ved kliniske forsøg.

Dyreforsøg

Vi deler op mod 99% af vores DNA med dyr, så det er oplagt at teste medicin på dyr. Imidlertid kan resultaterne ikke altid overføres direkte, så man skal være påpasselig med sine konklusioner ud fra dyreforsøg alene.

Der kan dog være gode grunde til at stoppe ved dyreforsøg og ikke fortsætte til forsøg med mennesker. En stor del af forskningen med dyreforsøg går på at vurdere sundhedsskadelighed, og det ville være etisk uforsvarligt at udføre sådanne forsøg på mennesker.

Kontrolgrupper

Det giver sig selv at man må have en kontrolgruppe, som ikke modtager behandling, hvis man ønsker at klarlægge hvorvidt et lægemiddel virker eller ej. Kontrolgruppen skal selvfølgelig være statistisk identisk med gruppen som modtager behandling.

Placebo

Alene det at modtage behandling kan have en gavnlig effekt på sygdomsforløbet i op mod 80% af alle patienter, uanset om den udleverede medicin er virksom eller ej. For at sikre belæg for at et givet medikament rent faktisk virker, testes derfor også for placebo-effekt.

Placebo er et (hvilket som helst) uvirksomt stof som gives istedet for et lægemiddel, men uden at patentienten ved at “lægemidlet” er uvirksomt. Gruppen som modtager placebo kan nogle gange være identisk med kontrolgruppen.

Bias og dobbelt blindforsøg

Hvis man leder efter en bestemt sammenhæng, er man tilbøjelig til at tolke tvivlsomme resultater eller endda påvirke forsøgspersonerne til fordel for den hypotese man prøver at verificere – uanset om det er bevidst eller ej – et fænomen som kaldes bias. For at holde forskerens egen (ubevidste) subjektivitet ude af spil udføres medicinske forsøg, så hverken forsker eller forsøgsperson ved om de modtager placebo eller medicin. Dette kaldes dobbelt blindforsøg.