השיטה המדעית

התפתחות השיטה המדעית

השיטה המדעית, התפתחה במקביל להתפתחות המדע.

העת העתיקה - המדע הפרה-ניסיוני

את ניצניו של המדע המודרני ניתן למצוא בתרבויות עתיקות רבות - מסמכים ממצרים העתיקה, כמו פפירוסים עתיקים, מתארים שיטות אבחון רפואי, הבבלים הקדומים (וכן תרבויות עתיקות רבות אחרות) היו בעלי ידע רב באסטרונומיה, התרבות הסינית הקדומה סיפקה הישגים רבים שהיו הכרחיים לקידום המדע, כגון המצאת הנייר, הדפוס, המצפן ואבק השריפה. התפתחויות מדעיות היו קשורות הן לצרכים ממשיים, והן לצרכים דתיים ומיסטיים. כך, למשל, בתרבויות רבות חקר הכוכבים עזר בביסוס לוח השנה שלו הייתה חשיבות רבה לדוגמה בחקלאות, אך מחקר זה נבע גם מהעיסוק המיסטי באסטרולוגיה. ההבחנה בין מדע לבין אמונה ומיסטיקה לא הייתה קיימת, ותרבויות קדומות התבססו על מיתוסים ואמונות בשביל להסביר תופעות טבע שונות.

יוון העתיקה: התפתחות השיטה האקסיומטית והולדת האמפיריציזם

בראשית המאה ה-3 לפנה"ס יצא לאור באלכסנדריה הספר "יסודות" בן 13 הכרכים של אוקלידס. בספר הזה הונח הבסיס לשיטה האקסיומטית שפותחה ביוון העתיקה, ותהווה מכאן ואילך את השיטה המדעית של המתמטיקה. על פי שיטה זו כל הידע המתמטי מבוסס על הוכחות, בשיטה של דדוקציה, שבה כל משפט מתמטי (theorem) מוכח על בסיס משפטים שכבר הוכחו, וכל המשפטים כולם נסמכים על סט מצומצם ככל האפשר של משפטי יסוד, הקרויים אקסיומות. אף שמאז התקופה העתיקה המתמטיקה התפתחה רבות ונוספו אליה תחומים רבים, השיטה המדעית העומדת בבסיסה לא השתנתה מאז ימי אוקלידס.
ביוון העתיקה נעשה גם ניסיון לקבוע כללי ניהול דיון והכרעה בין תפישות עולם, שהיווה את הבסיס לפילוסופיה ולמדעים המודרניים. השיטה המדעית שהתפתחה הייתה ניסיון להגיע להכרעה על בסיס טיעונים לוגיים, כפי שנעשה במתמטיקה. הפילוסוף אפלטון אף האמין שהמתמטיקה היא דרך לחקור את העולם: הוא האמין שהמתמטיקה מתארת עולם, "עולם האידאות", שעליו מבוסס עולמנו. תפישה זאת, הנקראת פלאטוניזם, ספגה ביקורת חדה בכתביו של אריסטו, ולמפלה ניצחת בראשית המאה ה-19 עם גילויין של גאומטריות לא אוקלידיות, אף שאלו לא הפריכו את התזה של אפלטון, אלא רק את מעמדה של הגאומטריה האוקלידית כגאומטריה הנכונה של העולם. למעשה, עד היום מתמטיקאים רבים מחזיקים בתפישה של אפלטון בנוגע למתמטיקה.

ימי הביניים: ראשית הגישה הניסיונית

את האמפיריציזם - ביסוס המדע על ניסוי - נהוג לייחס למהפכה הקופרניקאית, במאה ה-17, אך את ניצניו אפשר למצוא כבר בעבודותיהם של מדענים מוסלמים בימי הביניים. מדענים אלו הציגו גישה של ניסוי וכימות כדי להבחין בין תאוריות מדעיות מתחרות באוריינטציה אמפירית. דוגמה טובה לכך היא ניסוי האופטיקה בספר האופטיקה (1021) של איבן אל-היית'ם. אל היית'ם ניסה לבדוק את הסברה, שהאור נע בקווים ישרים.
על עבודה זו הוא כותב:
כיצד עובר האור דרך גופים שקופים? האור עובר דרך גופים שקופים בקווים ישרים בלבד. ...הסברנו זאת באריכות בספר האופטיקה שלנו. אך הרשו לנו להזכיר כעת דבר מה כדי להוכיח זאת באופן משכנע: העובדה שהאור עובר בקווים ישרים נצפית בקלות באורות החודרים לחדרים חשוכים דרך חורים. ...האור הנכנס נראה בבירור באבק הממלא את החדר
— אלהאזן (איבן אל-היית'ם)
הדרך שבה הדגים את נכונות הסברה הייתה הצגת מקל ישר, או חוט מתוח, לאורך קרן האור, וכך להראות כי האור נע בקו ישר. אולי החידוש המרכזי בעבודה זאת, הוא בכך שאל-היית'ם הקדיש את הזמן והמאמץ על מנת לבדוק בצורה ניסיונית, עובדה שנראתה כמובנת וברורה מאליה. גישה זאת היא בבסיס השיטה המדעית, המטילה ספק בכל דבר, כל עוד לא הוכח בניסוי. על אופן זה של החיפוש אחר האמת הוא כותב:
מחפשים את האמת למען האמת עצמה. אלה העוסקים בחיפוש אחר כל דבר למען עצמו אינם מתעניינים בדברים אחרים. מציאת האמת קשה, והדרך אליה דרך חתחתים...
— אלהאזן (איבן אל-היית'ם)
רוברט גרוסטסט, בישוף לינקולן היה הראשון במערב שביצע ניסויים מבוקרים מתוך מטרה להוכיח או להפריך טענות המנוסחות באופן מדויק ומתמטי וכתב על שיטתו. הוא אף כתב על שיטת ה"הפרדה והרכבה", כלומר הסקת חוק טבע כללי מתוך תצפיות פרטניות וגזירת ניסויים פרטניים הניתנים לבחינה מתוך החוק הכללי. על אף שלא תמיד ביצע בעצמו את אשר הטיף לו, הרי שהציג למערב פרשנות קוהרנטית ראשונה של השיטה המדעית (שננקטה כבר הן על ידי אריסטו וממשיכיו והן על ידי אנשי המדע הערבי בימי הביניים).

בייקון וגישתו

במאה ה-16 הניח פרנסיס בייקון שעל מנת לחקור דברים יש לערוך ניסויים, לצפות בתוצאותיהם, ולבסוף לנתח את ממצאי הניסויים ולהסיק מהם מסקנות. אם לא נוכל לעשות ניסויים, אז לפחות נעסוק בתצפיות. למשל, באסטרונומיה שליטה הגישה של עריכת תצפיות כי לא נוכל להגיע לכוכבים הנמצאים מעבר להישג ידינו. לכן, על בסיס המסקנות אנו יוצרים "תמונה" המציגה את הדברים, ובעזרת תהליכים המתרחשים על פני כדור הארץ ניתן להקיש על תהליכים המתרחשים בכוכבים אחרים.

המהפכה הקופרניקאית והמהפכה המדעית

במאה ה-16 הציג ניקולאוס קופרניקוס מודל למערכת השמש, שלפיו לא השמש מקיפה את כדור הארץ אלא להפך, כדור הארץ ושאר כוכבי הלכת מקיפים את השמש. מודל זה נתן הסבר פשוט יותר לתצפיות על תנועת הכוכבים, ובזכות התיקון של יוהנס קפלר (שמצא שכוכבי הלכת נעים סביב השמש במסלול אליפטי ולא מעגלי) נתן לראשונה הסבר מדויק לתנועה זאת. גלילאו גליליי הושם במעצר בעקבות תמיכתו בתאוריה זאת, כיוון שהיא סתרה את עמדת הכנסייה, ואולם דור אחד מאוחר יותר הפך המודל למקובל על כלל הקהילה המדעית, וסימן שלב חשוב בהתפתחות המדע: ביסוס המדע על ניסוי, במקום על תפישות לוגיות או מיסטיות שהיו מקובלות עד אז.

המתמטיזציה של המדע

קפיצת דרך חשובה בהתפתחות המדע ואבן דרך במהפכה המדעית הייתה הנהגת המתמטיקה כשפת המדע וככלי חובק כל בתיאור הנתונים והתצפיות, בניסוח חוקי הטבע ובאנליזה של המידע כדי להסיק מסקנות ותחזיות אמפיריות. את השורשים לכך ניתן למצוא אצל גלילאו גליליי אך מי שהפך את המתמטיזציה של המדע מאידיאל למעשה היה המתמטיקאי והפיזיקאי הדגול סר אייזק ניוטון, בעבודתו המופתית "העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע" שייסדה את הפיזיקה הקלאסית והדגימה כיצד באמצעות מספר מצומצם של חוקי טבע וחשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי (calculus, תורה מתמטית העוסקת בתנועה ושינויים אינפיניטסימליים אותה פיתח ניוטון בעצמו) ניתן להסביר בדיוק רב את תנועת כוכבי הלכת סביב השמש. חיבור זה היווה הוכחה ניצחת לכוחה הרב של המתמטיקה ולהפיכתה לכלי הכרחי בחקירה המדעית.

הקושי בהכללת מדעים יישומיים

הפילוסופיה של המדע מתחבטת בהגדרה שתתאים למדעים טהורים, כך שאין זה פלא שמדעים שימושיים רחוקים מרחק רב מהשיטה הפילוסופית. במדע שימושי התוצאה חשובה יותר מקוהרנטיות ההסבר, או אף מקיומו של הסבר. ברפואה, למשל, קיימות תרופות רבות שלא ידוע מנגנון פעולתן, אך דבר זה אינו מונע את הכללתן בספרי התרופות, ובלבד שנערך להן הליך תיקוף מדעי - בדרך כלל ניסוי כפול-סמיות. שיטה זו, המוכוונת לקבלת תוצאות ללא כבילה מחייבת להבנה כיצד מושגות התוצאות, קשורה קשר קלוש למדי לכללי הפילוסופים של המדע, ועם זאת מקובלת בפועל כ"מדע" בעולם המדעי עצמו.

הניגוח של בכלר

פרופ' זאב בכלר תוקף בספרו "שלוש מהפכות קופרניקניות" את הניסיונות המתמשכים, מצדם של הפילוסופים, לכפות מערכת מחייבת על כלל השיטה המדעית. לטענת בכלר ניסיון זה הוא עקר ואף מזיק. בכלר מנתח שלוש מהפכות מדעיות גדולות ומתאר כיצד בכל מקרה המהפכה התרחשה בזכות התנתקות מדקדקנות פילוסופית עקרה, והתפרצות אמיצה אל הלא נודע על כנפי אינטואיציה, שהניבה שיטה מתפקדת ועובדת - אך נטולת בסיס פילוסופי. זאת מול תיאורים מושלמים פילוסופית אך נטולי כל תוצאות שהיו קיימים בזמן מהפכות אלו.

אי ודאות

מדידות מדעיות מלוות בדרך כלל באומדן של אי-הוודאות בהן. אי-הוודאות מוערכת לעיתים קרובות על ידי ביצוע מדידות חוזרות ונשנות של אותו גודל נחקר. ניתן גם לחשב את אי-הוודאות תוך חישוב אי-הוודאויות במרכיבים הבסיסיים של אותה מדידה - לדוגמה, מדידת אורך בעזרת סרט מידה תושפע מצפיפות השנתות על סרט המידה, דיוק הדפסת השנתות, והדיוק בקביעת השנת הנכונה על ידי מבצע המדידה.
ספירות שונות, כמו מספר האנשים במדינה מסוימת בזמן כלשהו, עשויות להיות מושפעות גם ממגבלות השיטה שבה משתמשים. הספירות עשויות לייצג רק דגימה של הגודל הרצוי, עם אי-ודאות התלויה בשיטת הדגימה ובמספר הדגימות.

הגדרה

מדידה דורשת שימוש ב"הגדרות אופרטיביות" של הגדלים הרלוונטיים. כלומר, גודל מדעי מתואר או מוגדר על ידי דרך מדידתו, בניגוד להגדרה יותר מעורפלת, לא מדויקת, או "אידיאלית". לדוגמה, זרם חשמלי, הנמדד באמפר, מוגדר אופרטיבית במושגים של מסת כסף המשוקע בפרק זמן מסוים על אלקטרודה במתקן אלקטרוכימי המתואר בפירוט. ההגדרה האופרטיבית מסתמכת לעיתים קרובות על השוואות לסטנדרטים: ההגדרה האופרטיבית של מסה מסתמכת, בסופו של דבר, על השימוש בחפץ מוגדר, כמו משקולת הקילוגרם מסגסוגת פלטינה-אירידיום, השמורה בלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות בפריז.
ההגדרה המדעית של מושג עשויה להיות שונה משמעותית מהשימוש בו בשפה יום יומית. לדוגמה, בדיבור למילים מסה ומשקל משמעויות חופפות, אך למעשה יש להן משמעויות נפרדות במכניקה. לעיתים קרובות מאפיינים גדלים מדעיים בעזרת יחידות המידה שלהם, שאותן ניתן להמיר מאוחר יותר ליחידות פיזיקליות מקובלות, למטרת פרסום העבודה.
לעיתים ההבנה כי גודל מסוים לא הוגדר בצורה ברורה יכולה להוביל לתאוריות חדשות. לדוגמה, המאמר הראשון של אלברט איינשטיין בנושא תורת היחסות הפרטית פותח בהגדרת סימולטניות ואורך. אייזיק ניוטון דילג על רעיונות אלה, באומרו: "איני מגדיר זמן, חלל, מיקום ותנועה, כיוון שאלה ידועים לכל". מאמרו של איינשטיין מדגים כי אלה (רעיונות הזמן המוחלט, ואורך שאינו תלוי בתנועה) היו קירובים בלבד. פרנסיס קריק מזהיר אותנו כי כאשר מאפיינים נושא מחקר, יש להימנע מהגדרת דבר מה לפני הבנתו ברמה מספקת.
בחוקרו את התודעה, מצא קריק כי למעשה קל יותר לחקור מודעות במערכת הראייה, מאשר לחקור, לדוגמה, בחירה חופשית. הדוגמה בה הוא משתמש לצורך ההזהרה היא הגן; אופיו של הגן לא הובן היטב לפני עבודתם החלוצית של ווטסון וקריק לחקר מבנה ה-DNA; הקדשת זמן רב להגדרת הגן, לפני הבנת מבנהו, לא הייתה מועילה.

הפרצסיה של כוכב חמה

אפיון נושא מסוים עשוי לדרוש מחקר נרחב וממושך, אפילו לאורך מאות שנים. נדרשו אלפי שנות מדידות, על ידי אסטרונומים כשׂדִיים (Chaldea), הודים, פרסים, יוונים, ערבים, ואירופאים, על מנת להגדיר את התנועה של כדור הארץ. ניוטון הצליח להשתמש בתוצאות אלה ולהסבירן כתוצאה של חוקי התנועה שלו. אך בפריהליון במסלולו של כוכב חמה ניתן לזהות נקיפה (פרצסיה) שאינה מוסברת במלואה על ידי חוקי התנועה הניוטוניים; הפער בינה לבין החיזוי על פי חוקי ניוטון עומד על 43 שניות-קשת לכל מאה שנים. ההסבר המלא לתופעה ניתן על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, והיא הייתה אחד הרעיונות הראשונים שהעלה איינשטיין למבחן של נכונות התורה.

תורת היחסות הכללית

ניתן להפיק מספר תחזיות פרטניות מתורת היחסות הכללית של איינשטיין, לגבי המבנה הניתן לצפייה של מרחב-זמן; ביניהן, התחזית שאור מתכופף בשדה כבידה, ומידת הכיפוף תלויה באופן מדויק בעוצמת שדה הכבידה. תצפיותיו של ארתור אדינגטון בזמן ליקוי חמה בשנת 1919 תמכו בתורת היחסות הכללית, לעומת הכבידה הניוטונית.

אימות

המדע הוא מפעל חברתי, והעבודה המדעית מתקבלת על ידי הקהילה לאחר שאומתה. מרכיב קריטי באימות הוא חזרה על התוצאות הניסיוניות והתאורטיות על ידי אחרים בקהילה המדעית.
כדי להישמר מפני מדע רשלני ומידע כוזב, סוכנויות ממשלתיות המחלקות מענקי מחקר, כמו הקרן הלאומית למדע וכתבי עת מדעיים כמו Nature ו-Science דורשים כי החוקרים יארכבו את המידע והשיטות בהם השתמשו; זאת על מנת לאפשר לחוקרים אחרים לבחון את המידע והשיטות, ולהתבסס על מחקר קודם במחקריהם שלהם. בארצות הברית מידע מדעי ניתן לארכב במספר ארכיונים לאומיים, או במרכז המידע העולמי.

פילוסופיה יוונית

המודל הקלאסי מתבסס על עבודתו של אריסטו, שהבחין בין צורות ההיקש הלוגי המדויק והמקורב, הגדיר את סכמת הטיעון הרטרודוקטיבי המשולשת והטיעון ההיקשי, וכמו כן טיפל בצורות מעורבות כמו היקש בעזרת אנלוגיה.

האמפיריציזם האנגלי והרציונליזם

בעבודתו Novum Organum (משנת 1620) (השם מתייחס לאורגנון של אריסטו), תיאר פרנסיס בייקון שיטה חדשה של היגיון, המיועדת לשפר את התהליך הפילוסופי הוותיק של סילוגיזם.
ב-1637 יסד רנה דקארט את העקרונות המנחים של השיטה המדעית, בחיבורו "מאמר על המתודה". כתבי אל-היית'ם, בייקון ודקארט נחשבים קריטיים בהתפתחות ההיסטורית של השיטה המדעית המודרנית.

פופר והאמפיריציזם הלוגי

בין שנות השלושים לשנות השמונים של המאה ה-20 התחולל ויכוח עז בקרב פילוסופים של המדע לגבי השאלה האם קיימת שיטה מדעית, ומהי. ההקשר בו התקיים הוויכוח היה הדיון בשאלה הרחבה יותר האם קיימת רציונליות מדעית, ומהי, ובמיוחד מהם הקריטריונים הרציונליים לבחירה בין תאוריות מדעיות מתחרות. השיטה המדעית, אם היא קיימת, תפתור את הבעיה הזאת מיד, משום שהיא תספק קריטריון מוסכם כזה לבחירה בין תאוריות מתחרות.
בפילוסופיה של המדע של המאה עשרים התגבשה הבחנה בין הקשר הגילוי להקשר הצידוק. הקשר הגילוי הוא המסגרת שבה מגיעים מדענים לתגליותיהם. הקשר הצידוק הוא התהליך שבו נותנים המדענים פשר לתגליותיהם באמצעות המסגרת התאורטית שבה הם פועלים. לפי העמדה האמפיריציסטית המסורתית, קיימת לוגיקה או שיטה הן של גילוי מדעי והן אישוש התגליות. לוגיקה זו מבוססת על אינדוקציה, כלומר על הסקת חוקים כלליים ממקרים פרטיים. עמדה זו מזוהה עם האמפיריציזם האנגלי המסורתי (ג'ון לוק, רוג'ר בייקון) וכן עם מספר חברים בפוזיטיביזם הלוגי.
בספרו "הלוגיקה של הגילוי המדעי" (1934) טען פילוסוף המדע קרל פופר, נגד העמדה האמפיריציסטית המסורתית, כי לא זו בלבד שאין לוגיקה או שיטה מסודרת של גילוי במדע, אלא שזה גם מצב רצוי. אולם, לפי פופר, הקשר הצידוק נשלט על ידי מתודה מדעית חמורה ולוגיקת הפרכה, שבה הם מעלים השערות נועזות ביחס לגילויים ומנסים להפריך אותן על ידי ביצוע ניסויים. גם לפי הנס רייכנבך אין לוגיקת גילוי - תהליך הגילוי נשלט על ידי כישרון, דמיון ואינטואיציה - אך לשיטתו תהליך הצידוק נשלט לא על ידי לוגיקת הפרכה אלא על ידי לוגיקת אישוש. פופר התנגד למושג האישוש, וטען שלכל תאוריה ניתן למצוא אישושים למכביר, כלומר אם רוצים ניתן לפרש כל תופעה כמאששת תאוריה, ולכן ערכה של תאוריה נמדד רק בניסיונות להפריכה.
הטענה שאין לוגיקת גילוי התקבלה על מרבית הפילוסופים, אך לא על כולם. מבין הבולטים שהמשיכו לטעון בזכות לוגיקת גילוי נמצא נורווד הנסון, שטען כי גם אם אין מתכון שלפיו מדענים יכולים לפעול כדי להגיע לגילוי, המבנה הלוגי של טיעונים לפיהן טענה p היא אמיתית (לוגיקת צידוק) שונה מהמבנה הלוגי של טיעונים לפיהן טענה p היא אפשרית או סבירה (לוגיקת גילוי). לשיטתו, טענות מהסוג השני הן טענות של היסק להסבר הטוב ביותר, שבו מדענים מנסים לנחש את חוק הטבע שיסביר בצורה הטובה ביותר את התופעות.
גם קיומה של לוגיקת צידוק הועמד בסימן שאלה. הן השיטה המדעית שהציג קרל פופר המבוססת על עקרון ההפרכה והן שיטות האישוש של האמפיריציזם הלוגי עומדות בפני בעיית תת-ההיקבעות של תאוריות על ידי הנתונים (underdetermination of theory by data). לפי טיעון תת-ההיקבעות, המזוהה עם הפילוסופים דוהם וקוויין, כל מערכת נתונים אמפיריים עולה בקנה אחד עם יותר מתאוריה אחת, ואולי עם אינסוף תאוריות. משמעות הטענה היא שהשערה לעולם לא נבדקת ביחידות, אלא כל התאוריה נבדקת בצורה הוליסטית. כאשר השערה מופרכת, תמיד ניתן לשנות את אחת מהנחות התאורטיות, או אחת ההנחות על האופן שבו פועלים מכשירי המדידה וכו', כדי "להציל את התאוריה". פופר אינו מספק קריטריון מתי יש להפסיק לנסות להציל את התאוריה ולאמץ תאוריה חדשה, ולכן ניתן לטעון שהוא לא ניסח את השיטה המדעית, לפחות לא בשלמותה.
בפילוסופיה המאוחרת שלו פופר מודה בקיומה של בעיה זו ומדגיש כי מבחן ההפרכה הוא קריטריון לוגי להבחנה בין מדע ללא-מדע, ולא מתכון או שיטה שמדענים יכולים ליישם הלכה למעשה. בנוסף, הוא מכיר בכך שגם לחשיבה דוגמטית לא מוגזמת, המתבטאת בניסיונות מתונים להציל את התאוריה, יש ערך במדע. לשיטתו של פופר המאוחר, אין שיטה מדעית בדמות פרוצדורה שאחריה מדענים יכולים לעקוב, אלא הערובה לגידול הידע באמצעות מחקר מדעי היא בסופו של דבר חברה פתוחה בעלת נורמות של חשיבה ביקורתית ומוסדות חברתיים המגינים עליהן.

שנות השישים: המפנה ההיסטורי בפילוסופיה של המדע

תומאס קון חקר את ההיסטוריה של המדע בספרו "המבנה של מהפכות מדעיות". קון טען כי המדע מתקדם באמצעות מהפכות. תאוריה מדעית היא חלק ממכלול שקון מכנה "פרדיגמה". כאשר מהפכה מדעית מתרחשת, מדענים מאמצים פרדיגמה חדשה במקום הישנה. קון טען שהסטנדרטים להערכת תאוריות הם פנימיים לפרדיגמה. כאשר פרדיגמה מתחלפת, גם הסטנדרטים מתחלפים. לפי קון, אפוא, לא קיימת שיטה מדעית חיצונית לפרדיגמה. אמנם, ישנם ערכים המשותפים לכל המדענים כגון פשטות, פוריות וכו' שבאמצעותם הם מעריכים תאוריות, אבל הם כלליים מידי מכדי לאפשר הכרעה בין פרדיגמות מתחרות. ספרו של קון היווה בעצמו שינוי פרדיגמה בפילוסופיה של המדע והביא להתמקדות במקרי מבחן היסטוריים כדי לטעון טענות פילוסופיות.
הפילוסוף אימרה לקטוש הציג "מודל ביניים" בין פופר לקון. לקטוש האמין בקיומן של "תוכניות מחקר". תוכנית מחקר נשלטת על ידי עקרונות מטאפיזיים כלליים, הכוללים העדפות קוגניטיביות כגון השגת פשטות או דיוק ואמונות כלליות על טבע העולם, למשל: אבני היסוד של העולם הן חלקיקים בעלי כוחות משיכה ודחייה. העקרונות המטאפיזיים קובעים את שיטות המחקר, אולם אין הכרח שיביאו להצלחתו. מדענים בוחרים (בחירה רציונלית) לנטוש תוכנית מחקר אחת ולהעדיף את השנייה כאשר נראה שאחת מובילה למבוי סתום. תוכנית מחקר מוצלחת היא כזו, למשל, שמספקת ניבויים חדשים על העולם, ולא מסתפקת בהסברת התופעות הידועות זה מכבר.
פול פייראבנד מייצג את הדעה הקיצונית ביותר לגבי אי היתכנותה של השיטה המדעית. גם הוא בחן את ההיסטוריה של המדע, וטען כי המדע למעשה אינו תהליך מתודולוגי. בספרו "נגד המתודה" טען שהתקדמות המדע אינה התוצאה של יישום שיטה מסוימת, ושזהו מצב רצוי. פיירבראנד טוען כי "הכל הולך" במחקר מדעי, ומתכוון כי עבור כל מתודולוגיה או נורמה מקובלת במדע, ניתן לזהות מחקר מדעי מוצלח הסותר אותה. פייראבן ביסס את טענתו על מחקר היסטורי של גלילאו. לפי פייארבנד, גלילאו התעקש התעקשות דוגמטית על חלק מטענותיו, ובכך סטה מהעקרונות המיוחסים לשיטה המדעית. הכוונה המקורית הייתה שפייראבנד ולקטוש יכתבו ספר משותף שבו פייארבנד יטען נגד השיטה מדעית ולקטוש בעדה, אבל לקטוש נפטר לפני כתיבת הספר.
ביקורות מסוג זה הובילו לתוכנית החזקה , גישה רדיקלית לסוציולוגיה של המדע.
הכימאי והפילוסוף מיכאל פולני (1891 - 1976) בספרו "ידע אישי" משנת 1958, ביקר את הראייה המקובלת שהשיטה המדעית היא אובייקטיבית לגמרי ומייצרת ידע אובייקטיבי. לדידו ראייה זו היא תוצאה של אי-הבנת השיטה המדעית ואופי החקר המדעי באופן כללי. הוא טען כי מדענים חייבים לפעול גם לפי נקודות עניין אישיות בהערכת עובדות וההחלטה איזה שאלות מדעיות לחקור, וכך הם גם עושים בפועל. הוא סיכם כי יש צורך במבנה מסוים של חירות בשיטה למען התקדמות המדע - החופש של מדענים לשאוף לחקר מדעי למטרת ידע הוא דרישה מוקדמת לייצור ידע דרך ביקורת עמיתים והשיטה המדעית.
המבקרים הפוסטמודרניסטים של המדע היו בעצמם מטרה לחיצי ביקורת ודיונים סוערים. הדיון המתמשך, הידוע בכינוי מלחמות המדע, הוא התוצאה של הנחות וערכים מנוגדים בין הצדדים, הפוסטמודרניסטים מחד, והריאליסטים המדעיים מאידך. בעוד הפוסטמודרניסטים טוענים כי הידע המדעי הוא רק עוד סוג של דיון, ואינו מייצג אמת בסיסית יותר, הריאליסטים בקהילה המדעית מחזיקים בדעה כי הידע המדעי מגלה אֲמִיתוֹת בסיסיות על המציאות. מדענים רבים כתבו ספרים העוסקים בבעיה זו, ומבקרים את הגישה הפוסטמודרנית לעניין.

תקשורת, קהילה, תרבות

לעיתים קרובות לא אדם אחד מיישם את השיטה המדעית, אלא מספר אנשים בשיתוף פעולה ישיר או עקיף. שיתוף פעולה כזה הוא אחד האלמנטים המגדירים את הקהילה המדעית. פותחו מספר טכניקות להבטחת שלמות השיטה המדעית בסביבה זו.

ביקורת עמיתים

כתבי עת מדעיים משתמשים בתהליך של ביקורת עמיתים, בו המאמרים המוגשים לכתב העת על ידי מדענים מועברים למדענים בתחום (בדרך כלל אחד עד שלושה), בדרך כלל באופן אנונימי. מדענים אלה יכולים להמליץ על פרסום המאמר, אי פרסומו, פרסומו בשינויים מוצעים, או, לעיתים, פרסום בכתב עת אחר. שיטה זו משמשת לשמירת האיכות של הספרות המדעית, צמצום השגיאות, והרחקה של עבודה לא מדעית והונאות למיניהן. בדרך כלל אין מסתכלים בחיוב על עבודה שעיקריה פורסמו כבר בעיתונות הפופולרית (מכיוון שעוד לא עברה חלק חשוב בתהליך המדעי). לעיתים תהליך הביקורת עשוי לדכא את הפרסום של עבודות לא-שמרניות, במיוחד כאלה העשויות לערער את היסודות המקובלים בתחום מסוים, אך לעיתים התהליך עשוי להיות דווקא מתירני מדי. לעיתים מתבטאים חסרונות אחרים, כמו העדפת מקורבים ומשוא פנים (פרוטקציה). תהליך ביקורת העמיתים לא תמיד מצליח, אך הקהילה המדעית אימצה אותו באופן נרחב, כמעט מוחלט.

תיעוד וחזרה

לעיתים נסיינים מבצעים טעויות מערכתיות בניסוייהם, וסוטים באופן לא-מודע מהשיטה המדעית (עד כדי מדע פתולוגי) מסיבות שונות, ובמקרים נדירים אף מזייפים את תוצאותיהם במודע. לעיתים קיימים כשלים שהנסיינים אינם מודעים להם, וגורמים לשגיאה משמעותית בתוצאות, כמו תקלה במכשיר, זיהום בחומרים בניסוי, ועוד. מסיבות אלה ואחרות, מדענים אחרים מנסים לחזור על הניסוי, במטרה לאמת את התוצאות, וכך מסייעים לאישוש ההשערות.

ארכוב

על החוקרים לשמור על תיעוד מלא של הניסויים שערכו. תיעוד זה כולל את מטרות הניסויים, הפרטים הטכניים של הפרוצדורה, תצפיות במהלך הניסוי, ניתוחים סטטיסטיים ועוד. תיעוד זה מאפשר בדיקת איכות הניסויים והפרוצדורות לניתוחם, וחזרה עליהם כדי לאשש או להפריך את מסקנותיהם. תיעוד הפרוצדורות הללו עשוי לסייע בניסוח ניסויים חדשים לבחינת ההשערה, ויכולות להועיל למהנדסים שמנסים לבדוק את יכולת היישום של התגלית.

מגבלות התיעוד

המדען לא יכול לתעד כל מה שקרה בניסוי. עליו לבחור את העובדות הרלוונטיות לניסוי, לפי הבנתו. עובדה זו עלולה להוביל לבעיות בשלב מאוחר יותר, כאשר עובדה לכאורה לא-רלוונטית דרושה לבחינת התוצאות. לדוגמה, היינריך הרץ לא דיווח על גודל החדר בו השתמש לבחינת משוואות מקסוול. מאוחר יותר התברר כי עניין זה עמד מאחורי סטייה קטנה בתוצאות. הבעיה היא שיש להניח חלקים מסוימים מהתאוריה (אילו גורמים משפיעים על התוצאות), כדי לבחור ולדווח על תנאי הניסוי. לכן תצפיות אלה מתוארות לעיתים כ"טעונות-תאוריה".

הקשר למתמטיקה

מדע הוא תהליך איסוף, השוואה והערכה של מודלים מוצעים מול גדלים מדידים. מודל יכול להיות סימולציה, נוסחה מתמטית או כימית, משוואה דיפרנציאלית או מערך שלבים מוצעים. מדע דומה למתמטיקה בכך שחוקרים בשני התחומים יכולים להבחין בבירור בין ה"ידוע" ל"לא ידוע" בכל שלב של הגילוי. מודלים, במדע ובמתמטיקה, צריכים להיות עקביים פנימית וניתנים להפרכה. במתמטיקה, בשלב ראשון עוד אין צורך להוכיח הצהרה; בשלב זה ההצהרה נקראת השערה. אך לאחר שזכתה להוכחה מתמטית, ההצהרה זוכה לסוג של אלמותיות; מתמטיקאים שואפים לכך, בדומה לחשיבות תגליות מדעיות, ורבים מקדישים לכך את חייהם.
עבודה מתמטית ועבודה מדעית יכולות להוות השראה זו לזו, ואינן נפרדות. עבודתו של ג'ורג' פוליה בפתרון בעיות, בניית הוכחות מתמטיות, והיוריסטיקה מראות כי השיטה המתמטית והשיטה המדעית שונות בפרטיהן, אך דומות בשימוש באיטרציה או שלבים רקורסיביים.