公元前6世纪初，在爱琴海边的米利都城，第一位希腊哲学家得出结论：“万物皆水。”他的名字叫泰勒斯。他的学生阿那克西曼德 disagrees — 他认为宇宙的本源是“无限的物质”。他自己的学生阿那克西美尼则认为它是空气。
这些想法似乎很奇特，但科学思维的种子正在其中生根发芽。它们可以说是第一个相互竞争的假说，标志着“一种脱离神话式解释的转变，”威奇托州立大学的科学哲学家布莱恩·赫普本说。这些哲学家抛开神灵和超自然力量，转而基于观察来理解自然。换句话说，他们运用了一种我们现在称之为科学方法的初步形式。
泰勒斯和他的弟子影响了亚里士多德，而亚里士多德又深刻影响了此后两千五百年的几乎所有西方哲学家——包括弗朗西斯·培根，他为现代科学重新包装了科学方法，并为16世纪和17世纪的科学革命设定了议程。
从那时起，科学已成为最富有成效的人类事业之一。赫普本说，它不仅“是我们用来审视关于世界的论述的最强大、最严谨的传统”，而且它还“使我们能够做出像构建互联网或 GPS 卫星，或者将火箭送往月球这样的事情。”正如宇宙学家赫尔曼·邦迪所说，“科学不过是其方法而已。”
然而，尽管取得了如此成功，并且围绕着它有着如此多的传奇，但这种知识获取的蓝图并不像教科书中所呈现的那样简单。500年来，科学家和哲学家一直在争论它应该如何运作，而如今许多人质疑寻找这唯一的科学方法是否还有意义——历史表明存在许多。
方法的开端
是什么让科学成为科学？细节在不同时期、不同地点和不同研究领域之间差异巨大。对亚里士多德而言，其基础是被动地观察自然。在现代，它也常常涉及实验。此外，根据《斯坦福哲学百科全书》，最常见的要素是“归纳和演绎推理，以及假说和理论的形成与检验。”
培根——常被称为“经验主义之父”——将这些策略视为一种智力工具箱，用于弥补我们自身认知能力的不足。他在《新工具》（“新工具”——这是对亚里士多德的逻辑论述《工具》的引用，他在其中可能给出了科学探究的第一个指导方针）的开篇写道：“未受辅助的手和独立运作的理解力作用微乎其微。”培根继续说道：“效应是通过工具和辅助手段产生的，而理解力同样需要它们，正如手需要工具一样。”
就像显微镜和望远镜揭示了肉眼看不见的现实领域一样，科学方法也使我们这些近视的人能够洞察自然世界的更深层结构。这一点至关重要，因为科学常常处理那些无法直接接触的对象和过程，无论是物理上的（地心）、时间上的（生命进化）还是智力上的（量子力学）。
除了他的方法，培根本人并没有做出重大发现。但他的同时代人伽利略·伽利莱——有时也被称为“科学之父”——在他的著名运动实验和天文观测中很好地运用了新方法。接着是科学界的下一位超级巨星，艾萨克·牛顿，他提出了他的运动和万有引力定律。在《自然哲学的数学原理》中，牛顿甚至制定了他自己的方法论规则，或“哲学准则”。
归纳与演绎
科学家，以及人类总的来说，使用两种推理模式：归纳和演绎。归纳推理从特定的观察（我见过的所有鸟都有翅膀）推导出普遍的结论（所有鸟都有翅膀）。演绎推理则反过来，从已知的信息（所有人都会死）推导出具体的结论（史蒂夫是人，所以史蒂夫会死）。
培根和牛顿都自认为是归纳主义者。牛顿特意说他“不虚构假说”，他轻蔑地使用了现在已是完全标准的科学术语。查尔斯·达尔文在构建进化论时也声称遵循归纳法，通过对加拉帕戈斯群岛的雀鸟和其他动物的研究，自下而上地进行构建。
然而，牛顿之后的几个世纪迎来了启蒙哲学家大卫·休谟，他提出了一个伟大的认识论困境：归纳问题。基本上，他认为，没有理由可以假设你知道的事物与你不知道的事物有任何关联，或者未来会像过去一样。你把一块石头扔到空中，它掉回地面的次数再多，也没有逻辑上的必然性要求它下一次还会这样做。
在科学中，归纳主义的对应是假说演绎法，即从一个假说开始，推导出其含义，然后进行检验。一个假说可以像牛顿的“所有物质都对所有其他物质施加力”一样复杂，也可以像“所有刀具都是锋利的”一样简单。从那里，你预测如果你的假说正确，X 将会发生，然后看看 X 是否真的发生了。在这种情况下，X 就是你会找到全是锋利的刀具，所以如果你找到一把钝的，你必须拒绝这个假说。另一方面，如果你找到 100 把刀，并且每把都是锋利的，你可能会将这个假说在确认的阶梯上提升一档。
通往理论的严谨之路
从这个例子可以看出，任何假说都永远无法被最终证实（调查者尚未遇到黄油刀）。事实上，正如20世纪有影响力的哲学家卡尔·波普尔所强调的那样，科学家的目标应该是证伪假说。如果一个论断无法被证伪，那么它就不是可证伪的。正如他在《科学发现的逻辑》中所写，“就其不可证伪而言，它并没有描述现实”（例如，鬼魂和上帝的存在就属于这一类）。
但同样重要的是要理解，这种不可避免的不确定性并不会削弱科学的目标。在波普尔的“证伪主义”体系中，科学家越是在没有推翻一个理论的情况下对其进行检验，它就越有可能准确——在实验室的行话中，它越“被证实”。如果它经受住了足够的审视，它就会赢得“理论”的称号，就像阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论或尼古拉·哥白尼的日心说一样。
当科学家使用“理论”一词时，他们并不是指口语中的“仅仅是一个理论”。恰恰相反：这是经验解释能获得的最高荣誉。一个理论当然可能是错误的，因为归纳问题阻止了绝对的确定性。但科学方法的严谨性确实使得任何一个理论在没有令人信服的证据的情况下获得共识的可能性很小。
科学家在评估与一个已确立理论相矛盾的证据时尤其警惕。2011年，当一个研究团队声称探测到中微子以超光速运动——即不可能的事——时，英国物理学家吉姆·阿尔-哈利利非常准备好捍卫宇宙速度极限，他发誓如果事实证明如此，他将“在电视直播中吃掉我的拳击短裤”。幸运的是，一年之内，进一步的分析使他避免了尴尬。
科学家有时对新理论会过于固执。20世纪初，当水星轨道的数据否定了牛顿长期以来引力定律时，许多物理学家都持谨慎态度。德克萨斯大学科学哲学家彼得·维克斯说，即使在几十年后证据支持相对论而非牛顿物理学，“仍有一些人从未接受它。他们带着‘理论很好’的说法去了坟墓。”量子理论的创始人马克斯·普朗克曾愤世嫉俗地说，一个新的科学真理并非通过说服所有人而取得胜利，“而是因为它的反对者最终死去了。”
即便如此，新一代人也总是接受了真相（或可用的最佳版本）。维克斯说，这就是关键。科学方法并不能保证个体案例的正确性——它只是确保更广泛的科学界能够纠正错误。“人们朝着各种不同的方向前进，很多都是死胡同，”他说。“但理念是，整个社区都在前进。”
回到科学家
维克斯认为自己属于“科学优先”的科学哲学家，这是一个最近的运动，关注科学家实际是如何实践他们的技艺的。考虑到他们“显而易见的成功”，如果一种哲学观点认为他们应该以不同于他们实际操作的方式进行，他宁愿放弃这种哲学观点。“这源于科学的往绩，”他说。“在某个时刻，不可否认科学家们在某些方面是正确的。”
以病毒学为例。病毒粒子太小了，无法实际观察到它们感染宿主和摧毁身体的过程。一个极端的怀疑论者可能会说科学家并不真正理解这些过程，但这并没有阻止小儿麻痹症的根除（或 COVID-19 疫苗的快速开发）。在光谱的另一端，天文学领域，没有人从近距离观察过太阳，以确定它是一颗恒星，然而“世界上没有一个科学家会怀疑这一点，”维克斯说。“我们已经确立了一些事情，而且毫无疑问。”
这一切都是为了说明：科学发展得很好。事实上，目前尚不清楚哲学潮流在多大程度上塑造了科学的进程。（“可能不多，维克斯说，尽管一些杰出的科学家曾引用波普尔作为主要影响。邦迪的引文继续道：“科学不过是其方法，而其方法也不过是波普尔所说的。”）
接受科学优先的哲学也意味着放弃“唯一真正的科学方法”的观念，正如许多哲学家在近几十年来所做的那样。新南威尔士大学的科学史家尼古拉斯·拉斯穆森将对单一方法（甚至少数几种方法）的“持续追求”比作“鲑鱼逆流而上，对抗无法逾越的大坝的徒劳跳跃。”
当然，在最广泛的层面上，科学采用了所有的方法要素。但当我们深入研究专业领域和个别科学家时，就会发现它们存在差异。爱因斯坦作为一名理论物理学家，运用演绎推理来得出他的理论，仅在自己脑海中进行实验。还有亚历山大·弗莱明，他通过注意到培养皿中一种奇怪的霉菌并研究其特性，以归纳法发现了青霉素。
维克斯说，尽管他们是两位著名的科学家，“但他们日常进行的实践类型完全不同。”“我认为现在很多哲学家会查看所有关于科学方法的理论，并认为所有这些理论有时会被某人、在某种情境下使用。而这正是你想要的。”
