ความรู้ทางวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นได้อย่างไรบ้าง

ใบความรู้ที่  1  ความรู้ทางวิทยาศาสตร์1.1  ความรู้ทางวิทยาศาสตร์1.1.1  วิทยาศาสตร์  (science)  หมายถึง  ความรู้เกี่ยวกับสิ่งต่างๆ ในธรรมชาติและปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ทั้งมีชีวิตและไม่มีชีวิต ได้มาจากกระบวนการค้นคว้าหาความรู้ที่มีขั้นตอนมีระเบียบแบบแผน                                          วิทยาศาสตร์แบ่งออกเป็น  2  ประเภท คือ  วิทยาศาสตร์บริสุทธิ์   และวิทยาศาสตร์ประยุกต์          (1)  วิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ (pure science) เป็นความรู้ทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่ได้จากการค้นพบในธรรมชาติ ได้แก่ ข้อเท็จจริง หลักการ กฎ ทฤษฎี ได้แก่วิชาการต่างๆ เช่น ชีววิทยา ฟิสิกส์ เคมี ฯลฯ เราเรียกนักวิทยาศาสตร์ด้านนี้ว่า นักวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์           (2)  วิทยาศาสตร์ประยุกต์ (applied science) หรือวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เป็นการนำความรู้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์มาประยุกต์ใช้ เพื่อให้เกิดประโยชน์และอำนวยความสะดวกในการดำรงชีวิตของมนุษย์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่มนุษย์นำมาใช้ประโยชน์ ในชีวิตประจำวันได้แก่ แพทย์ศาสตร์ เภสัชศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และคอมพิวเตอร์ เป็นต้น 1.1.2  ความรู้ทางวิทยาศาสตร์  (Scientific Knowledge)  ที่ได้จากธรรมชาติ  โดยวิธีการแสวงหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์  แบ่งความรู้ทางวิทยาศาสตร์  จากง่ายไปยาก  6 ระดับ คือ
        (1)  ข้อเท็จจริง (Fact)
        (2)  ความคิดรวบยอดหรือ มโนมติ (Concept)
        (3)  หลักการ (Principle)
        (4)  สมมติฐาน (Hypothesis)
        (5)  ทฤษฎี (Theory)
        (6)  กฎ (Law) (1)  ข้อเท็จจริง (Fact) หรือ ความจริงเดี่ยว  คือ การสังเกตปรากฏการณ์ธรรมชาติ หรือสิ่งใดๆ ที่เป็นอยู่จริง          ไม่เปลี่ยนแปลง  และเป็นสิ่งที่ได้จากการสังเกตโดยตรง  หรือโดยอ้อม (ข้อเท็จจริงในธรรมชาติย่อมถูกต้องเสมอ แต่การสังเกตข้อเท็จจริงอาจผิดพลาดได้)  ความรู้ที่ได้นี้  เมื่อทดสอบในสถานการณ์หรือสภาวะเดียวกันจะได้ผลเหมือนเดิมทุกครั้ง
เช่น   "น้ำไหลจากที่สูงสู่ที่ต่ำ"
          "น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ณ บริเวณที่ระดับน้ำทะเล"
          "เกลือมีรสเค็ม"
          "สเปรคตรัมของแสงอาทิตย์มี 7 สี คือ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง" (ใช้อุปกรณ์ช่วย)
          "น้ำแข็งลอยน้ำได้" (2)  มโนมติหรือความคิดรวบยอด  (Concept)     คือ ความคิดหลัก (Main idea) ของแต่ละบุคคลที่มีต่อเหตุการณ์หรือปรากฏการณ์นั้นๆ  มโนมติเกิดจากการนำข้อเท็จจริงมาศึกษาหรือเปรียบเทียบความแตกต่าง  สรุปรวมลักษณะที่สำคัญ มองเห็นความสัมพันธ์ของสิ่งนั้นๆ สร้างเป็นความคิดหลักในรูปที่แสดงถึงความคิด  ความเข้าใจ  ทำให้นำไปใช้ในการบรรยาย อธิบาย หรือพยากรณ์เหตุการณ์ วัตถุ  และปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งแต่ละคนอาจจะมี มโนมติต่อสิ่งใดสิ่งหนึ่งที่แตกต่างกัน  ขึ้นอยู่กับ ประสบการณ์  ความรู้เดิม  วัยวุฒิ  และ เหตุผลของบุคคลนั้นๆ
ตัวอย่าง
        1. โปรตีนเป็นสารอาหารที่มีอยู่ในเนื้อสัตว์
        2. ใบไม้แต่ละชนิดมีรูปร่างลักษณะแตกต่างกัน
        3. พืชใบเลี้ยงเดี่ยวเป็นพืชที่มีใบเลี้ยงออกมาเพียงใบเดียวและมีเส้นใบขนานกัน
        4. แมลง คือสัตว์ที่มีเขาและลำตัวแบ่งออกเป็น 3 ส่วน
        5. สัตว์ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง กับสัตว์ที่มีกระดูกสันหลัง
        6. ความหนาแน่น เป็นความสัมพันธ์ระหว่างมวลกับปริมาตร
        7. ยีนที่อยู่บนโครโมโซมจะเป็นตัวกำหนดลักษณะทางพันธุกรรม สรุป    "มโนมติ คือ ความคิด  ความเข้าใจที่สรุปเกี่ยวกับสิ่งใดสิ่งหนึ่งหรือเรื่องใดเรื่องหนึ่งอันเกิดจากการสังเกต  หรือการได้รับประสบการณ์เกี่ยวกับสิ่งนั้นหรือเรื่องนั้นหลายๆ แบบ แล้วใช้คุณลักษณะของสิ่งนั้นหรือเรื่องนั้นนำมาประมวลเข้าด้วยกันเป็นข้อสรุปของเรื่องนั้น  (3)  หลักการ  (Principle) หรือ "ความจริงหลัก"        เป็นความจริงที่ใช้เป็นหลักในการอ้างอิงได้  โดยนำกลุ่ม   มโนมติที่เกี่ยวกับความสัมพันธ์ซึ่งได้รับการทดสอบว่าเป็นจริงแล้วว่าเป็นจริง  แล้วนำไปใช้อ้างอิงและพยากรณ์เหตุการณ์หรือปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องได้  (หลักการต้องเป็นความจริงที่สามารถทดสอบได้ และได้ผลเหมือนเดิม     มีความเป็นปรนัย และเป็นที่เข้าใจตรงกัน) 

(4) สมมติฐาน (Hypothesis)  หมายถึง ข้อความที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นเพื่อคาดคะเนคำตอบของปัญหาล่วงหน้าก่อนที่จะดำเนินการทดลอง  สมมติฐานใดจะเป็นที่ยอมรับหรือไม่ขึ้นอยู่กับหลักฐาน  เหตุผลที่จะสนับสนุนหรือคัดค้าน (ข้อความที่เป็นสมมติฐานต้องเป็นข้อความคาดคะเนคำตอบโดยที่บุคคลนั้นยังไม่เคยรู้หรือเรียนมาก่อน)  ตัวอย่าง
          "เมื่อพืชได้รับแสงมากขึ้น  พืชน่าจะเจริญเติบโตขึ้น"
          "ถ้าเพิ่มตัวทำละลาย  จุดเดือดของสารละลายจะเพิ่มขึ้น"
          "ถ้าเพิ่มปริมาณปุ๋ยให้กับพืชมากเกินไป  พืชจะเฉาตาย"
          "ถ้าอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมมีผลต่อการเจริญเติบโตของบัคเตรี ดังนั้น บัคเตรีที่อยู่ในอุณหภูมิพอเหมาะจะเจริญเติบโตมากกว่าบัคเตรีที่อยู่ในอุณหภูมิไม่เหมาะสม"
          "ถ้าช่วงขามีผลต่อเวลาที่ใช้ในการวิ่ง ดังนั้น  นาย ก. ซึ่ง มีช่วงขายาวกว่า นาย ข.  ใช้เวลาในการวิ่งน้อยกว่า             อัลเฟรด  เวเกเนอร์ (Dr. Alfred Wegener) นักอุตุนิยมวิทยาและนักธรณีชาวเยอรมัน ได้ตั้งสมมติฐาน            ทวีปเลื่อน (continental drift)  ว่า “อดีตผืนแผ่นดินมีเพียงผืนเดียวเรียกว่า พันเจีย (Pangea หรือ Pangaea) “ ต่อมาประมาณ  200 ล้านปีแผ่นดินเริ่มแยกออก  เป็น 2  แผ่น  ทางตอนเหนือชื่อลอเรนเซีย และทางตอนใต้ชื่อกอนด์วานา และเกิดการเคลื่อนที่มาเรื่อยๆ  จนเกิดเป็นแผ่นดินในปัจจุบัน (5)  ทฤษฎี  (Theory)  เป็นข้อความที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้น  เป็นคำอธิบายหรือความคิดที่ได้จากสมมติฐานที่ผ่านการตรวจสอบหลายๆ ครั้ง  และใช้อ้างอิงได้ หรือ ทำนายปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างกว้าง  สามารถใช้อธิบายกฎ  หลักการ  และการคาดคะเนข้อเท็จจริงในเรื่องทำนองเดียวกันได้  (ทฤษฎี เป็นความคิดของนักวิทยาศาสตร์ อาจจะถูกหรือผิดก็ได้  ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงได้  เมื่อได้รับข้อเท็จจริงเพิ่มขึ้นและน่าเชื่อถือมากขึ้น)
         เป็นข้อความซึ่งเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในการอธิบายกฎ  หลักการ หรือข้อเท็จจริง
        เป็นข้อความที่ใช้อธิบายหรือทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้น
        เป็นที่น่าเชื่อถือได้และสามารถอนุมาน (คาดคะเนตามหลักเหตุผล) ไปเป็นหลักการ กฎ บางอย่างได้

สรุป                                                                                                                                            กฎ                                                                                                              ใช้อธิบาย               หลักการ                                                                                                                                            ข้อเท็จจริง

                                     ข้อเท็จจริง                                                 ข้อเท็จจริง                                     ข้อเท็จจริง                                                                            ใช้พยากรณ์ปรากฏการณ์  การสร้างทฤษฎี
        ต้องอาศัยข้อมูลที่รวบรวมได้โดยใช้วิธีอนุมานร่วมกับการสร้างจินตนาการ  เพื่อกำหนดข้อความที่จะนำไปอธิบายถึงความสัมพันธ์ของเหตุและผลที่เกี่ยวข้อง  บางครั้งต้องอาศัยจินตนาการ ความคิดริเริ่มสร้างสรรค์ทฤษฎีขึ้นมา  เช่น
ตัวอย่าง   “ทฤษฎีโมเลกุลของแม่เหล็ก  กล่าวว่า  สารแม่เหล็กทุกชนิดจะมีโมเลกุลซึ่งมีอำนาจแม่เหล็กอยู่แต่ละโมเลกุลจะประกอบด้วยขั้วเหนือและขั้วใต้  หากโมเลกุลแม่เหล็กเหล่านี้เรียงตัวกันไม่เป็นระเบียบ  อำนาจแม่เหล็กจะถูกทำลายกันเอง  เพราะขั้วเหนือและขั้วใต้มีอำนาจคนละชนิด แต่ถ้าหากโมเลกุลของแม่เหล็กนั้นเรียงตัวเป็นระเบียบ  ขั้วเหนือจะชี้ไปทางปลายหนึ่งของแท่งแม่เหล็ก ส่วนทางขั้วใต้จะชี้ไปอีกปลายด้านหนึ่งซึ่งเกิดมีขั้วอิสระที่ปลายทั้งสองข้าง”ทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับกันทั่วไปเพราะ

แหล่งที่มาhttp://202.44.68.33/files/u7192/einstiens.jpg

        1. สามารถนำไปอธิบายข้อเท็จจริงที่ว่า “แม่เหล็กดูดเหล็กได้  แม่เหล็กขั้วเหมือนกันจะผลักกัน  ขั้วต่างกันจะดูดกัน”
        2. สามารถอนุมานไปเป็นหลักการหรือกฎเกี่ยวกับการดึงดูดและการผลักกันระหว่างขั้วแม่เหล็กได้
                หลักการ “แม่เหล็กขั้วเหมือนกันจะผลักกัน ขั้วต่างกันจะดูดกัน”
                กฎ “แรงที่เกิดขึ้นระหว่างขั้วจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของกำลังแม่เหล็กและเป็นส่วนผกผันกับระยะทางที่ห่างกันยกกำลังสอง”                  ถ้าต้องการให้ทฤษฎีใดทฤษฎีหนึ่งน่าเชื่อถือและเป็นที่ยอมรับกันทั่วไปนั้นจะต้องนำทฤษฎีนั้นไปทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ให้ได้หลายๆ ครั้ง และหลายๆ ปรากฏการณ์         3. สามารถพยากรณ์ได้ว่า ถ้านำแม่เหล็กไปตัดออกเป็นท่อนๆ แต่ละท่อนคงสภาพเป็นแม่เหล็กเพราะแต่ละท่อนมีโมเลกุลที่เป็นแม่เหล็กเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบอยู่แล้ว ทฤษฎี บิกแบง (Big Bang Theory)  เป็นทฤษฎีทางดาราศาสตร์ที่กล่าวถึงประวัติศาสตร์ความเป็นมาของจักรวาล ปัจจุบันเป็นทฤษฎีที่เป็นที่เชื่อถือและยอมรับมากที่สุด ทฤษฎีบิกแบงเกิดขึ้นจากการสังเกตของนักดาราศาสตร์ที่ว่า ขณะนี้จักรวาลกำลังขยายตัว ดวงดาวต่าง ๆ บนท้องฟ้ากำลังวิ่งห่างออกจากกันทุกที เมื่อย้อนกลับไปสู่อดีต ดวงดาวต่างๆ จะอยู่ใกล้กันมากกว่านี้ และเมื่อนักดาราศาสตร์คำนวณอัตราความเร็วของการขยายตัวทำให้ทราบถึงอายุของจักรวาลและการคลี่คลายตัวของจักรวาล รวมทั้งสร้างทฤษฎีการกำเนิดจักรวาลขึ้นอีกด้วย ทฤษฎีวิวัฒนาการ (Evolution Theory) ของชาร์ล ดาร์วิน (Charles Darwin)ดาร์วินได้เสนอ ทฤษฎีการเกิดสิ่งมีชีวิตใหม่ เป็นผลอันเนื่องมาจากการคัดเลือกทางธรรมชาติ ทำให้สามารถเข้าใจการกระจายของพืชและสัตว์ ที่มีอยู่ประจำแต่ละท้องถิ่นตามหลักซึ่งภูมิศาสตร์ ดังต่อไปนี้คือ1.              สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีความสามารถสืบพันธุ์สูง ทำให้ประชากรมีการเพิ่มแบบทวีคูณ 2.              ความเป็นจริงในธรรมชาติ ประชากรมิได้เพิ่มขึ้นเป็นแบบทวีคูณเนื่องจากอาหารมีจำนวนจำกัด 3.              สิ่งมีชีวิตต้องมีการดิ้นรนต่อสู้เพื่อความอยู่รอด พวกที่มีความเหมาะสมก็จะมีชีวิตอยู่รอด พวกที่ไม่มีความเหมาะสมก็จะตายไป 4.              พวกที่อยู่รอดจะมีโอกาสแพร่พันธ์ต่อไป 5.              การเกิดสปีชีส์ใหม่เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงที่ละเล็กละน้อย ตามทัศนะของดาร์วิน กลไกของวิวัฒนาการสภาพแวดล้อม เป็นตัวทำให้เกิดการคัดเลือกทางธรรมชาติขึ้น เพื่อให้ได้ลักษณะที่เหมาะสมและมีโอกาสสืบพันธุ์ต่อไป  ทฤษฎีอะตอมของดาลตัน (Atomic Theory)จอห์น  ดาลตัน  ชาวอังกฤษได้รวบรวมเรื่องเกี่ยวกับอะตอมและตั้งเป็นทฤษฎีขึ้นเรียกว่า ทฤษฎีอะตอมของดาลตัน ซึ่งนับเป็นก้าวแรกที่ทำให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น ทฤษฎีอะตอมของดาลตันมีใจความสำคัญดังนี้-  สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้อีก
-  อะตอมไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำให้สูญหายไปได้
-  อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันย่อมเหมือนกัน กล่าวคือมีสมบัติเหมือนกันทั้งทางกายภาพและทางเคมี
-  อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันย่อมมีมวลหรือน้ำหนักเท่ากัน
-  สารประกอบเกิดจากการรวมตัวทางเคมีระหว่างอะตอมของธาตุต่างชนิดกันด้วยอัตราส่วนของจำนวน      อะตอมเป็นเลขลงตัวน้อยๆ
-  อะตอมของธาตุสองชนิดขึ้นไปอาจรวมกันเป็นสารประกอบด้วยอัตราส่วนที่มากกว่าหนึ่งอย่างเพื่อเกิด    สารประกอบมากกว่า 1 ชนิดสรุป        เกณฑ์ในการยอมรับทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์  (6) กฎ  (Law)  เป็นหลักการอย่างหนึ่งซึ่งเป็นข้อความที่ระบุความสัมพันธ์กันระหว่าง เหตุกับผล และอาจเขียนในรูปสมการแทนได้  ผ่านการทดสอบจนเป็นที่น่าเชื่อถือได้มาแล้ว (กฎ  มีความจริงในตัวของมันเอง  ไม่มีข้อโต้แย้ง สมารถทดสอบได้เหมือนเดิมทุกประการ)
กฎอาจเกิดมาได้   2 ทาง ด้วยกัน
        จากการอุปมาน  (การเปรียบเทียบสิ่งที่มีลักษณะคล้ายคลึงกัน)  ข้อเท็จจริง  โดยการรวบรวมจากข้อเท็จจริงหลายๆ ข้อเท็จจริงมาสรุปเป็น มโนมติ  หลักการ
        จากการอนุมาน  (คาดคะเนตามหลักเหตุผล) ทฤษฎี  โดยการดึงส่วนย่อยของทฤษฎีมาเป็นกฎ เช่น กฎสัดส่วนพหูคูณ  แยกย่อยมาจากทฤษฎีอะตอม
ตัวอย่าง        
กฎของบอยส์  กล่าวว่า "ปริมาณของก๊าซจะเป็นปฏิภาคผกผันกับความดัน ถ้าอุณหภูมิคงที่" 

                  กฎการแยกตัวโดยอิสระของยีน  กล่าวว่า  "ยีนที่ควบคุมลักษณะเดียวกันจะแยกออกจากการโดยอิสระเพื่อสู่หน่วยสืบพันธุ์"           
         กฎสัดส่วนคงที่  กล่าวว่า  "อัตราส่วนระหว่างมวลของสารของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบชนิดใดชนิดหนึ่ง จะมีค่าคงที่เสมอ"          กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน  กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อมีดังนี้ กฎข้อที่ 1     วัตถุถ้าหากว่ามีสภาพหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ มันยังจะคงสภาพเช่นนี้ต่อไป หากไม่มีแรงที่ไม่สมดุลจากภายนอกมากระทำกฎข้อที่ 2   ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุมีค่าไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง โดยความเร่งแปรผันตรงกับแรงลัพธ์และแปรผกผันกับมวลของวัตถุกฎข้อที่ 3  ทุกแรงกริยาที่กระทำ จะมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดที่เท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามกระทำตอบเสมอ            กฎของแรงโน้มถ่วงระหว่างกันของนิวตัน (Newton's Law of Gravitational Attraction)  ซึ่งสามารถอธิบายแรงดึงดูดระหว่างมวลสองมวล  และ  ที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ห่างกันเป็นระยะ โดยสามารถเขียนเป็นสมการคณิตศาสตร์ได้เป็น                                                                           กฎการสะท้อนของคลื่น    มี  2  ข้อ                     1)  รังสีตกกระทบ  เส้นแนวฉากและรังสีสะท้อน  อยู่ในระนาบเดียวกัน                     2)  มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนกฎของโอห์ม (Ohm's  law)

• กฎของโอห์ม กล่าวว่า "เมื่ออุณหภูมิของตัวนำคงที่ อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์กับกระแสไฟฟ้าในตัวนำนั้นมีค่าคงที่เสมอ ค่าคงที่นั้นคือความต้านทานของตัวนำ"
• กฎของโอห์ม เขียนเป็นสูตรได้ว่า

                                                                                                           เมื่อ   R    คือความต้านทานมีหน่วยเป็นโอห์ม   ( )                 V    คือความต่างศักย์มีหน่วยเป็นโวลต์   ( V )                 I      คือกระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็นแอมแปร์   ( A ) แหล่งอ้างอิง   http://e-learning.snru.ac.th/els/scilife/unit1/law.htm