美国国家科学基金会组织的一项研究表明，虽然大多数美国人意识到几乎生活中的每件事情都是科学研究的成果，但仍有70%的受调查者表示对科学过程或方法并不了解。科学方法（scientific method）是指识别问题，然后通过严格、系统的观察和实验法来检验对该问题的解释是否合理。
就这一点而言，第1章中思维的三种水平——经验、解释和分析与此有相似之处。单凭经验或感官数据无法带给人们任何信息，还必须依据现有的科学知识和理论（分析）进行解释。就像思维的三种水平那样，科学方法不是线性的过程，而是一个动态、循环递进的过程，每次分析之后要重新观察以检查是否一致，根据进一步的分析和观察，不断修改对问题的解释。
科学方法包括非常详尽的步骤，以指导一名科学家系统地完成对观察结果的分析。虽然不同的科学分支之间有所差异，但基本步骤分为以下五步：（1）识别问题；（2）提出假设；（3）收集外部信息并提炼假设；（4）验证假设；（5）评价检验或实验的结果。在本节中，我们将依次学习每个步骤。
1. 识别问题
科学方法首先要求科学家对需要研究的问题进行识别。这需要良好的观察技巧、勇于探索的精神以及找到正确问题的能力。生物学家拉塞尔·希尔在研究英国足球队的运动员时，观察到身穿红色队服的球队取胜概率更高。于是他提出了一个问题：这其中是不是存在什么因果关系？在某一领域内，随着之前工作的不断推进，也可能出现新问题。例如，沃森和克里克于1953年发现了DNA结构，在先前研究成果的基础上，人们提出了人类基因工程这个问题。或者一个政治家、一个政府机构甚至一个普通人都可能让科学家注意到一个新问题。例如，2006年秋天，北美和欧洲的养蜂人注意到他们的蜜蜂正在逐渐消失，至今昆虫学家仍然在研究这一问题。
2. 提出原始假设
一旦问题被识别，科学方法的下一个步骤便是提出一个有效假设。假设（hypothesis）本质上是有科学依据的猜想，是对一系列现象提出的可能的解释，并作为进一步研究的出发点。对于蜜蜂种群突然消失的问题，科学家们提出了几个假设。一些研究者猜测新型烟碱类杀虫剂的使用可能是导致蜜蜂消失的原因。还有研究者认为，蜜蜂被某种病菌或真菌感染而大量死亡。还有人提出手机信号的辐射干扰了蜜蜂的导航系统，但这种假设很快便被否定。
提出的假设是试验性的，可能随着进一步的观察而发生变化。从另一方面来说，一个科学理论通常会越来越复杂，并且能够得到该领域内先前工作的支持。美国国家科学院将科学理论（scientific theory）定义为“对自然界某些方面作出的有充分依据的解释，包括事实、法则、推论以及可检验的假设”。然而，因为科学方法是一种归纳方法，科学家无法确定某种理论或假设是绝对正确的。美国物理学家里查德·费曼（1918—1988）因在量子电动力学方面取得的成就而获得了诺贝尔奖，他曾说过：“如果你认为科学是确定的，那么只是你的一己之念而已。”科学家可能对某些结论有很大的把握，例如进化论，但是他们永远不能绝对确定。
一个成熟的假设需要使用精确的语言进行表述，其中的关键术语应当有清晰的定义。术语的科学定义一般是理论性定义或者操作性定义。操作性定义能够提供准确的测量方法，用以收集数据、解释和测试。例如气象学家通过研究天气和气候变化来定义“厄尔尼诺现象”，具体是指海洋温度在连续3个月或更长时间内持续高出平均温度0.5摄氏度以上的现象。如果在假设中提到一个新的术语，那么就必须提供约定的定义。
对于正在研究的问题，科学假设应当提供一个可供检验的解释。为了便于此项工作的进行，假设经常以假言命题的形式进行阐述（如果……那么……）。如果将希尔关于足球的假设写成假言命题的形式，可以得出：如果一支球队穿着红色队服（前件），那么这支球队比穿蓝色队服的球队更可能赢得比赛（后件）。
如果A，那么C。
A。
因此，C。
这样可以得到一个假言推理论证。论证的推断或结论——“这支球队比穿蓝色队服的球队更可能赢得比赛”，是否有规律地跟随前件——“一支球队穿着红色队服”而发生？如果确实随之发生，那么第一个前提（假设）是正确的，该假设值得更进一步的检验。如果没有随之发生，那么第一个前提（假设）就是错误的，这个假设应当被抛弃。我们将在本章后面的内容中介绍评价科学解释的附加标准。
自从20世纪70年代开始，厄尔尼诺和拉尼娜都逐渐变得更加频繁和剧烈。在2009年和2010年之交的冬天，厄尔尼诺给加利福尼亚带来巨大的暴风雪。
3. 搜集附加信息并提炼假设
由于人们不可能接受周围所有的感官数据，所以假设可以帮助人们关注额外的数据。如果在观察中没有假设的引导，人们就不知道哪些信息是需要的，哪些信息是可以忽略的。
科学观察可以是直接的，也可以是间接的。为了辅助人们的感官感觉，尽可能地减少观察者的偏见以及认知和知觉错误，科学家们会使用显微镜、望远镜、录音机和听诊器等仪器。现在几乎所有的天文发现都来自于通过望远镜进行“观察”的计算机化摄像仪，天文学家研究计算机中的照片而不是进行直接观察。此外，科学家还利用温度计、钟表和天平等测量仪器辅助观察。
在进一步观察的基础上，最初的假设可能会被修改。因为人们不可能确定假设是正确的，所以对科学而言收集信息是一个持续不断的过程。在这一步中特别重要的是，科学家必须尽力做到客观，不带偏见地、系统地记录数据。
也许只有在对自己的观察结果进行仔细检查之后，科学家们才能注意到异常模式。例如，当年仅22岁的查尔斯·达尔文作为自然科学工作者，跟随英国皇家海军考察船“贝格尔号”环球旅行时，在加拉帕戈斯群岛收集了大量当地植物和动物的标本，并做了大量的笔记。然而，直到回到英格兰之后，他才开始注意到样本的不同寻常，并在几年之后据此提出了进化论。
分析图片
达尔文描绘的生活在加拉帕戈斯群岛上的鸟类的喙
讨论问题
1. 观察图片并给出可能的解释，为什么这些雀类拥有不同的喙。
2. 回顾批判性思维技能列表。讨论在达尔文构思进化论时，这些技巧分别起到了哪些作用？
在收集信息时，科学家会避免接受毫无根据或道听途说的证据。他们时刻保持怀疑的态度，不轻信人们所说的任何事情，除非他们对事情的真伪拥有令人信服的第一手证据。例如，我们在第7章中曾了解到，人们在接受采访时，会倾向于塑造自己的良好形象，或者回答他们认为采访者希望听到的内容。
当她还是一名人类学专业的研究生的时候，玛格丽特·米德（1901—1978）对一项课题非常感兴趣，那便是在西方文化中令青少年感到烦恼的问题，在所谓的更原始或更简单的文化中是否也存在。她假设，在这些文化中，青少年将会有所不同，出现的问题更少。为了给这个假设收集数据，米德住在南太平洋群岛的一个萨摩亚小村庄里，观察和采访了68个9～20岁的女性。根据这些采访资料，她得出结论，萨摩亚女孩普遍拥有一个无忧无虑的青春期，而且在非常小的年龄便发生草率性行为，这个发现震惊了很多西方人（吸引了很多西方青少年和大学生）。多年以后，曾经接受米德采访的一些萨摩亚族小姑娘长大成人，她们坦言当年对米德说了谎，目的只是开玩笑。在这个案例中，米德对自己假设的执着以及对轶事证据的过度依赖，使她在收集信息时出现了偏差。
玛格丽特·米德曾经居住在萨摩亚人的村落里进行一项观察研究，以证明她的理论：与西方社会相比，生活在更朴素的文化中的女性青少年更加无忧无虑。多年以后，她再次回到那儿，就当年她从收集到的一些错误信息中得出的相关结论接受采访。
科学家不能单纯依靠观察来决定某一种假设是否正确，或者是否是某一现象的最好解释。由于粗劣的信息采集方法、社会期望谬误、认知和知觉错误，人们进行的观察可能是不全面或者是片面的。使用的设备也可能出现偏差，因为设备本身就是人类发明的，人类决定了仪器的测量方法。例如，在寻找地球和地球之外的新生命形式时，科学家使用的是一种探测土壤、水、岩石和大气样本中是否存在DNA的仪器。然而也有可能存在（或曾经存在过）其他非DNA的生命形式，例如基于RNA的生命。
4. 检验假设
在观察、收集数据和提炼假设之后，科学方法的下一个步骤是检验假设。在2004年的奥运会期间，拉塞尔·希尔和同事罗伯特·巴顿开展了一项针对团队项目的研究，以检验球队的队服颜色与比赛成败之间是否存在关系。
我们可以通过在实验室中开展的控制实验来检验假设。为了检验炭疽病毒疫苗的实际效果，路易·巴斯德设计了一个实验，在实验中他为25只动物接种了疫苗。此外他还饲养了另外25只动物作为控制组，控制组中的动物没有接受疫苗注射。通过科学实验，他发现该疫苗在抵御炭疽病毒方面是有效的。在本书后面章节中，我们将会更加详细地介绍实验设计方面的内容。
如果对一个新假设的检验需要依靠对经验证据的直接检验，而这些经验证据又不经常出现，那么检验过程可能会花费大量时间。例如，爱因斯坦在相对论中预测，太阳的万有引力会使星光发生弯曲。然而，为了检验这个假设，科学家必须等待多年，直到发生日全食时（1919年）才能进行。而要彻底检验一个假设可能也需要许多年。明尼苏达州开展的双生子家庭研究就是一项长期研究，始于1983年，用于鉴别基因和环境对人类心理发展过程的影响。研究者们对超过8000对双生子及其家庭进行了长期的跟踪和调查。通过仔细比较同卵双生子和异卵双生子的个人特征，研究者们已经能够得出结论，在祈祷和参加宗教活动等宗教行为方面，大约40%的变异源于基因而不是环境。这项研究仍在进行中。
在科学方法中，检验和实验是一个批判性的步骤，因为某些我们认为正确的假设，在实际中却很难得到支持，经不起检验。一项假设越是经得住检验，人们就越有信心认定该假设正确的可能性。然而正像本书前面所论述的那样，人们永远无法绝对确定某项假设是正确的。
5. 以检验或实验结果为基础来评价假设
科学方法的最后一步是以检验和实验结果为基础对假设进行评价。如果结果或发现不支持该假设，那么科学家们会拒绝接受该假设，并回到科学方法的第2步，提出一项新的假设，然后重复这一过程。我们将在“评价实验设计”一节中学习如何对实验结果进行解释。
科学方法是不断发展的。当新的证据出现时，旧的假设和理论可能会被修改或推翻，或者被更具解释力的新假设所取代。但是应当时刻牢记的是，对科学家来说，如果新的数据与旧的理论相矛盾，任何理论都有可能被取代，包括那些人们已经普遍接受的理论，例如达尔文的进化论或者爱因斯坦的相对论。在下一节中，我们将学习采用哪些标准来评价科学解释。
