המונח "אתר ניסוי" מפנה לכאן. לערך העוסק בפסל, ראו אתר ניסוי (פסל).

ניסוי מדעי (בשפות הודו-אירופיות רבות: "אקספרימנט", בלטינית experimentum – מן המילה experiri "לנסות") הוא שיטת מחקר מדעית לבדיקת השערה בדבר קשר סיבה ומסובב בין הגורמים הנחקרים, על ידי השוואה בין שני מצבים. במצב אחד המדען מחולל שינוי יחיד ומשמעותי במערכת הנחקרת, או במודל למערכת כזו ובמצב השני המדען אינו מחולל שינוי כזה. העובדה שהשינוי המשמעותי במערכת נעשה ביוזמת המדען מאפשרת לדעת מה הם קשרי הסיבה והמסובב במערכת הנחקרת.

הניסוי המדעי נבדל מהתצפית המדעית בכך שבתצפית מדעית לא מחוללים שינוי משמעותי במערכת הנחקרת ונבדל מחיפוש פתרונות בניסוי וטעייה בכך שהוא מחייב השערה ומחייב השוואה בין מצבים. הניסוי הוא אחד הכלים החשובים ביותר להעשרת המידע על העולם הפיזי בגישה אמפירית.

תקפותו של ניסוי מדעי היא הסיכוי שהניסוי באמת מוכיח את השערת הניסוי. כדי שלניסוי מדעי תהיה תקפות גבוהה, עליו לעמוד, באופן המיטבי, במספר דרישות. תכנון הניסויים מנסה לאזן בין הדרישות וההגבלות של אותו תחום מדעי במסגרתו נעשה הניסוי, כך שהניסוי יניב את המסקנות הברורות ביותר באשר להשערה הנבדקת בניסוי. מדען מוכשר הוא אדם שכושרו היצירתי מאפשר לו לתכנן מחקרים (כגון ניסויים) ברי ביצוע ובעלי תקפות גבוהה.

בתחומים מדעיים מסוימים, כגון מכניקה, קל למדען ליזום התערבות משמעותית במערכת הניסוי. קל למדען, למשל, להפיל משקולות שונות ולצפות בתוצאות (ראו ניסוי גלילאו). לעומת זאת, בתחומים כמו אסטרונומיה, קשה למדען ליזום התערבות משמעותית. נכון לעשור הראשון של המאה ה-21, אנשי המדע יכולים להתערב באופן משמעותי במסלול תנועתם של שביטים בלבד וגם זאת תוך השקעה כספית קשה לגיוס. יתרה מזאת, גם ניסויי מעבדה במודלים המדמים גורמי שמים אפשריים לביצוע רק במעבורות חלל, כי בהן השפעתו של כח המשיכה של כדור הארץ היא זניחה.

וידוא שכל תנאי הניסוי, למעט ההתערבות הניסויית, יהיו זהים הן במערכת הניסוי והן במערכת הביקורת, אינה תמיד משימה קלה. בכימיה ובביוכימיה אין ויטרו קל יותר לעמוד בדרישה זו מאשר בניסוי בביוכימיה אין ויוו. בניסוי רפואי בבני אדם זה קשה עוד יותר. זאת משום שקל יותר לשלוט בדומם מאשר בחיות מעבדה ובחיות מעבדה מאשר באנשים. קשה לוודא שאנשים שמשתתפים בניסוי שומרים, למשל, על הרגלי תזונה מסוימים.

בפיזיקה ובכימיה המדידות הניסיוניות תעשנה באופן אובייקטיבי וכי תהיה בקרה על כל תנאי הניסוי לכל אורכו. מנגד, בתחומי מחקר אחרים כמו ביולוגיה ורפואה, קשה מאוד לעיתים להבטיח בקרה מושלמת על כל המשתנים בניסוי לכל אורכו ואילו בתחום מדעי החברה, קשה אפילו יותר להגדיר שיטה מדויקת למדידת תוצאות ניסוי באופן אובייקטיבי.

מסיבות אלה תחומים מדעיים כמו פיזיקה ותחומים אחרים של מדעי הטבע מכונים לעיתים "מדעים מדויקים" (או מדעים "קשים") בניגוד למדעי החברה ותחומים מדעיים אחרים, המכונים לעיתים מדעים "רכים".

קל יותר למדוד נכונה את משקלו של גוף דומם מאשר את משקלה של חיה משתוללת. קל יותר למדוד נכונה את לחץ המים בצינור מאשר את לחץ דמו של אדם מתרגש.

יש תחומים בהם ניתן למדוד באופן ישיר את הגודל בו מתעניינים ואילו בתחומים אחרים, בהם מתעניינים במושגים מופשטים, יש להגדיר את המושג המופשט באופן אופרטיבי כדי למדוד אותו. ההגדרה האופרטיבית אינה חופפת לעולם את המושג הבלתי מדיד ובלתי מוגדר שהיא מחליפה. אפשר למדוד משקל, אבל אי אפשר למדוד "חוכמה" או "איכות חיים." מקובל למדוד מנת משכל במקום למדוד "חוכמה", אולם הקשר המדויק בין מנת משכל לחוכמה לא יוכל להיוודע לעולם.

גם הקשר בין מערכת המודל עליה נערך הניסוי לבין המערכת שמעוניינים לחקור, אינו תמיד ברור. קל יותר להבין האם עכבר מעבדה מדמה נכונה את האדם בניסוי לתרופה משככת כאבים מאשר בניסוי על אודות הדחקת זיכרונות לא נעימים. זאת משום שקל יותר לברר סוגיות באנטומיה ובפיזיולוגיה מאשר בפסיכואנליזה.

בתחום מדעי החברה הדרישה לבקרה מוחלטת על תנאי הניסוי עשויה לעיתים לבוא לידי סתירה עם האפשרות להגיע למסקנות ברורות כלשהן באשר להשערת המחקר, באשר היא מתייחסת לתנאים שאינם מבוקרים מטבעם. כאשר מבוצע ניסוי מבוקר מתוך השאיפה לבדוק השערה העובדת "באופן כללי", לניסוי עשוי להיות "תוקף פנימי" רב, במובן שהתוצאות בעלות תוקף בתנאים מבוקרים, בעוד שבאותה עת הניסוי חסר "תוקף חיצוני" כאשר מנסים ליישם את תוצאות הניסוי בחיי המציאות. אחת הסיבות לתופעה זו היא אפקט הות'ורן, סיבה אחרת היא כי השפעות של שיווי משקל חלקי אינן תקיפות בתנאים של שיווי משקל מלא.

ברבע האחרון של המאה העשרים החל להתפתח ענף מחקר העוסק בעיצוב ניסויי במדעי החברה. ענף זה מגדיר וחוקר תקפות מבחנים ועוזר לאנשי המדע לשפר את תקפות הניסויים ולבקר טוב יותר את תקפות ניסויי זולתם. כתוצאה משיקולים תקפות, תכנון הניסוי במדעים המדויקים נוטה להתמקד על הסרת כל השפעה חיצונית, בעוד שניסויים במדעים "הרכים" יותר מתמקד יותר על הבעיות בתוקף החיצוני של תוצאות הניסוי, לעיתים באמצעות שימוש בשיטות סטטיסטיות. לעיתים מתרחשים אירועים טבעיים מהם ניתן להסיק מסקנות מדעיות, אלה הם הבסיס לניסויים טבעיים. במקרים כאלה המדען ניצב בפני בעיית הערכת ה"תכנון" הטבעי של הניסוי.

ניסוי מדעי בעל תקפות גבוהה צריך להיות פשוט מכל בחינה. ניסוי עם שאלה ניסויית פשוטה, הליך ניסויי פשוט ועבוד נתונים פשוט הוא ניסוי שיש מעט סיכוי לטעות בעריכתו, מעט סיכוי לטעות בפירוש תוצאותיו וקל למי שמפקפק בדיווח על תוצאותיו לערוך את הניסוי שנית כדי להיווכח בהן בעצמו. כעיקרון, יש תחומים שקל יותר לעצב בהם ניסויים כאלה. קל יותר לעצב ניסוי פשוט ובר חזרה במכניקה מאשר בתורת הקוונטים. קל יותר לנתח תוצאות של ניסוי באלפי תולעי מעבדה מאשר תוצאות ניסוי בהגברת המטר בשלושה אזורים בישראל. אולם, אנשי מדע יצירתיים עשויים להצליח לעצב ניסויים פשוטים וקלי עריכה עבור סוגיות שקודמיהם לא הצליחו לערוך בהם ניסויים כאלה.

מקובל לחשוב שלמגבלות המוסכמות החברתיות אינה קשורה לתקפות הניסוי. זה לא מדויק. לניסוי שעריכתו מעוררת תהיות מוסריות יש גם בעיית תקפות. קשה לנהל דיון מדעי שקול כשמדווחים על תוצאות ניסוי עם נקודות תורפה אתיות. כמו כן קשה לחזור על ניסוי לא אתי כאשר מפקפקים בתוצאותיו. עריכת ניסוי כזה אינה פשוטה מלכתחילה משום שאישור לעריכתו מצריך ויכוח ממושך עם ועדת האתיקה של מוסד המחקר וחזרה עליו תדרוש ויכוח חריף עוד יותר. מעבר לזאת, חלק מהאנשים המפקפקים בתוצאות ניסוי כזה לא יחזרו עליו מטעמי מצפון ואחרים לא יחזרו עליו כי יפחדו להתמודד עם תביעות או התנכלויות.

דוגמה לניסוי שאי אפשר לחזור עליו מנסיבות אתיות הוא ניסוי הכלא של זימברדו.

שיטת ניסוי המקובלת בעיקר בפיזיקה. במקרה בו יש להחליט איזו מבין שתי השערות סותרות על אודות חוקי הטבע היא ההשערה הנכונה, מבצעים פעולה שהתוצאה שלה מראה בבירור איזו מבין שתי ההשערות נכונה. לדוגמה: ניסוי רתרפורד הוא ביצוע של פעולה שמוכיח את קיום גרעין האטום וסותר את השערת אי קיום גרעין האטום.

השערות רבות במדע, בפיזיקה למשל, יכולות לבסס קשר סיבתי בין גורמים בכך שהן מצביעות על העובדה כי עד אשר לא מתרחשת תופעה מסוימת, לא קורה דבר אחר וכי כאשר התופעה מתרחשת, ניתן לצפות באותה תופעה אחרת. מצבים כאלה נדירים במדע.

לדוגמה, יש בדיחה ישנה ולפיה מישהו טוען כי מרעיש כדי להרחיק ממנו את הטיגריסים ומיד מצדיק את התנהגותו באמירה: "אתה רואה, זה עובד!" בעוד ש"ניסוי" זה איננו מפריך את ההשערה כי "השמעת רעש מרחיקה טיגריסים", הוא גם איננו תומך בהשערה ולפיה: אי-השמעת רעש איננה מרחיקה את הטיגריסים.

כדי להדגים השערה בדבר קשר סיבתי בין אירועים, הניסוי חייב להראות כי, לדוגמה, תופעה מסוימת מתרחשת לאחר שניתן לנבדק טיפול מסוים וכי התופעה איננה מתרחשת בהיעדר אותו טיפול. (ראו שיטת בייקון).

ניסוי מבוקר משווה בדרך כלל בין התוצאות שהתקבלו בדגימת הניסוי (או קבוצת הניסוי) לבין התוצאות שהתקבלו בדגימת הבקרה (או קבוצת הבקרה), שהיא זהה בכל לדגימת הניסוי להוציא את אותו גורם שאת השפעתו אנחנו מבקשים לבדוק. ניסויים בתרופות הם דוגמה טובה לשיטת ניסוי זו. קבוצת הניסוי היא הקבוצה המקבלת את התרופה, בעוד שקבוצת הבקרה תקבל פלצבו. בניסויי מעבדה רבים רצוי לבצע את הניסוי על דגימות חוזרות ולקיים דגימות בקרה חיוביות ודגימות בקרה שליליות. את התוצאות המתקבלות מדגימות הניסוי החוזרות ניתן בדרך כלל לחשב בממוצע, או אם תוצאות אחת הדגימות החוזרות חורגת במידה ברורה מן הדגימות האחרות, ניתן להתעלם ממנה כתוצאה של טעות בניסוי (ייתכן שפסחנו על צעד ניסויי כלשהו בדגימה זו). לעיתים, חוזרים על אותו ניסוי פעמיים ושלוש, כדי להגביר את תוקף התוצאות.

דגימת בקרה חיובית עוברת הליך הדומה מאוד לניסוי עצמו, אבל זהו הליך שידוע מניסויים קודמים כי יניב תוצאה חיובית. בקרה שלילית היא הליך שידוע כי יניב תוצאה שלילית. הבקרה החיובית מאששת את ההנחה כי תנאי הניסוי הם כאלה שניתן היה לקבל תוצאה חיובית, אפילו אף לא אחת מדגימות הניסוי עצמו הניבה תוצאה חיובית. הבקרה השלילית מדגימה את התוצאות המתקבלות כאשר הניסוי אינו מניב את התוצאה החיובית. לעיתים קרובות מתייחסים לבקרה השלילית כאל תוצאת "רקע" שאותה יש להפחית מן התוצאות המתקבלות מדגימות הניסוי.

ניתן לבצע ניסויים מבוקרים אף בתנאים שבהם קשה לשלוט על כל משתני הניסוי. במקרה כזה הניסוי נפתח ביצירת שתי קבוצות (או יותר) של דגימות השוות מבחינה הסתברותית. זאת אומרת, שמדידות של תכונות שונות בין שתי הקבוצות נמצאו זהות והקבוצות מגיבות באופן זהה לאותו טיפול. הזהות הזו בין הקבוצות נקבעת בשיטות סטטיסטיות הלוקחות בחשבון את מידת השונות בין היחידים וכן את מספר היחידים בכל קבוצה. בשטחים מדעיים כמו מיקרוביולוגיה וכימיה, שבהם כמעט ולא קיימים הבדלים בין יחידים בקבוצות מדגם, וגודל קבוצות המדגם מורכב ממיליוני יחידות (למשל, מולקולות, או חיידקים), ניתן לפסוח על שיטות סטטיסטיות אלה מתוך ההנחה כי די בחלוקת המדגם לשתי קבוצות מדגם (ניסוי ובקרה) ובכך השגנו שתי דגימות זהות. לעומת זאת, בניסויים על בני-אדם, נדרשת בדרך כלל הקצאה אקראית (RCT) כדי לקבל קבוצות דומות מספיק בתחילת הניסוי.

מרגע שבידינו שתי דגימות זהות, מהלך הניסוי מתוכנן כך שהן תקבלנה תנאים זהים בדיוק, להוציא משתנה בודד, שאותו אנו חפצים לבדוק. ניסויים בבני אדם דורשים שימוש באמצעי זהירות מיוחדים כדי לשלוט בגורמים חיצוניים, כגון אפקט הפלצבו. ניסויים כאלה הם בדרך כלל עם סמיות כפולה. זאת אומרת, שגם הנבדק וגם החוקר אינם יודעים מי מהנבדקים משתייך לקבוצת הניסוי ומי מהם לקבוצת הבקרה, אלא לאחר שהסתיים הניסוי וכל המידע הרצוי נאסף. אמצעי בקרה זה מבטיח שההשפעה היחידה על הנבדק תהיה כתוצאה מן הטיפול הניתן ולא כתוצאה מתגובה לידיעה שהוא מטופל בתרופה הניסיונית.

ערך מורחב – ניסוי מבוקר הקצאה אקראית

ניסוי מבוקר הקצאה אקראית (RCT) נעשה על ידי הקצאה אקראית של נבדקים לשתי קבוצות או יותר, ביצוע טיפול שונה בהן, ולאחר מכן מדידה והשוואת תוצאות בין הקבוצות. הקצאה אקראית (רנדומיזציה) היא תהליך של הצבת נבדקי הניסוי בקבוצות טיפול או בקבוצות בקורת באמצעות שימוש במקריות. ניסוי RCT בסיסי כולל שתי קבוצות בגודל דומה: קבוצת הניסוי - שבה נערכת ההתערבות, וקבוצת הביקורת - בה נערכת התערבות חלופית, כגון תרופת דמה (פלסבו) או אי-התערבות. הקבוצות עוברות תקופת מעקב בהתאם לתכנון מראש, כדי לבחון כיצד השפיעה ההתערבות הניסויית.^[1] השפעת הטיפול מוערכת על ידי השוואת תוצאות קבוצת הניסוי לתוצאות קבוצת הביקורת. ניתן לערוך גם RCT עם יותר מקבוצת טיפול אחת או יותר מקבוצת ביקורת אחת.

שיטת ניסוי בבני אדם המקובלת כאשר קשה לגייס מדגם גדול, קרויה ABA^[2][3][4]. לתוצאות מחקר בשיטה זו יש כושר שכנוע טוב. אולם, היות ששיטת ניסוי זו צעירה יחסית, טרם פותחו הכלים לניתוח המובהקות הסטטיסטית שלה. בשיטה זו מחפים על המחסור במשתתפים על ידי עריכת תצפיות רבות על כל משתתף והתערבות מניפולטיבית בזמנים שונים, כך שכל משתתף משמש לעיתים בתור "קבוצת הניסוי" ולעיתים בתור "קבוצת הביקורת". המצב בו נלקחות תצפיות לפני ההתערבות קרוי מצב A והמצב בו נלקחות תצפיות אחרי ההתערבות קרוי B. השיטה קרויה ABA על אף שלמרבית הניסויים בה מתאים יותר לקרוא AB משום שמצב A אינו משוחזר בהם אחרי שמגיעים למצב B.

לדוגמה: בדיקת ההשערה על פיה מתן רשות לאסירים לשהות על גג בית הכלא מורידה את הפוטנציאל שלהם לאלימות. שהייה על גג בית הכלא אינה מקובלת בשל הפחד שהיא תספק להם הזדמנות לברוח מהמאסר. עריכת ניסוי המוני שכולל עליית אסירים לגג הכלא, לא באה בחשבון. אולם, אם יימצא נימוק טוב לאפשר לאסירים.

מערך הניסוי: בוחרים שלושה אסירים אלימים ועורכים עליהם תצפית. במהלך התצפית רושמים את מספר ההתפרצויות האלימות שיש לכל אחד מהם בשבוע. כאשר מגיעים למצב בו ברור מה ממוצע ההתפרצויות האלימות השבועי שלהם, מאפשרים לאחד מהם לשהות על גג הכלא במשך רבע שעה בכל יום. אם מתגלה שממוצע ההתפרצויות האלימות שלו ירד דרמטית, ממתינים עד להתייצבות הממוצע החדש ומאפשרים גם לאסיר השני לשהות על גג הכלא במשך רבע שעה בכל יום. כאשר ממוצע ההתפרצויות האלימות השבועי של שני האסירים שמורשים לעלות לגג מתייצב על ערך נמוך, חוזרים על ההתערבות הניסויית עם האסיר השלישי. כאשר גם ממוצע ההתפרצויות שלו מתייצב על ערך נמוך בהרבה משהיה לפני ההתערבות הניסויית, ניתן לסיים את הניסוי במסקנה שבשלושה מקרים בלתי תלויים העלייה לגג הורידה את הנטייה לאלימות. אפשרות אחרת, היא להמשיך את הניסוי ולשלול את זכות העלייה לגג מהאסירים – כל אחד בתורו ולהוכיח שהם חוזרים להיות אלימים.

וריאציה על השיטה נקראת ABAB ויש בה שלב B נוסף אחרי שלב ה-A השני^[5]. וריאציה נוספת היא ABA - BAB^[6]. דהיינו, חלק מהמשתתפים עוברים את שלבי הניסוי לפי סדר אחד וחלק לפי סדר שני.

ניסויים מבוקרים למחצה הם ניסויים שבאופן ברור עומדים בחלק מדרישות התקפות של ניסויים מבוקרים. ניסויים אלה מקובלים בתחומי מחקר בהם לא חייבים להסתפק בתצפיות אולם כמעט בלתי אפשרי לערוך ניסויים מבוקרים. דוגמה לתחום כזה - פיתוח תוכניות לימודים. אי אפשר להשוות את יעילותה של שיטה חדשה ללימוד החשבון בבתי הספר היסודיים ליעילותה של השיטה הישנה בעזרת ניסוי מבוקר, אולם אינך חייב להסתפק בתצפית כדי לחקור את ההבדלים בין השיטות.

אי אפשר לערוך ניסוי מבוקר על אודות שיטות הוראת חשבון במעבדה. חיות מעבדה לא יכולות להיות מודל מוצלח לתלמידים הלומדים חשבון וכליאת תלמידים במשך כמה חודשים במעבדה נוגדת את החוק ואת כללי האתיקה והמוסר. מעבר לזאת, קשה מאוד לערוך ניסוי כזה במדגם מקרי של תלמידים - חלוקה של תלמידים באופן מקרי לשתי כיתות שבכל אחת מהן תונהג שיטת הוראה אחרת במשך כמה חודשים, היא משימה קשה לביצוע. חוקר חינוך לא יכול להגיע לבית ספר ולדרוש מצוות ההוראה לחלק מחדש את התלמידים לכיתות כדי לבצע את הניסוי שלו. מה גם שניסוי מבוקר דורש שאותו מורה ילמד את שתי הכיתות ובכל אחת מהן יעשה זאת בעזרת שיטה שונה.

בתחום החינוך מקובל לבצע ניסויים מסוג זה על ידי בחירה מקרית של שתי כיתות קיימות באותו בית ספר. ניסוי כזה נחשב לניסוי חצי מבוקר כי חוקר החינוך לא שולט בהרבה פרמטרים חשובים הקשורים לניסוי. החוקר לא שולט בזהות המורים. הוא אינו שולט בחלוקה של התלמידים לכיתות. הוא אינו יכול לוודא שמנהל בית הספר אינו דואג לתת תגבור לכיתה שהישגיה נמוכים יותר. הוא אינו יכול לוודא שהורי התלמידים הלומדים בשיטה שפחות מצליחה אינם שולחים אותם למורים פרטיים אחרי הצוהריים וכיוצא בזה.

אף על פי כן, לניסוי חצי מבוקר יש יכולת טובה יותר לקבוע סיבה ומסובב מאשר לתצפית. חוקר המשווה שיטות הוראה בעזרת תצפית, יתקשה למצוא שתי כיתות מאותו בית ספר שלמדו בשתי שיטות שונות בו אותו זמן.

הכינוי "ניסויי שדה" ניתן לניסויים אלה כדי להדגיש את ההבדל שבינם לבין ניסויי מעבדה. ניסויים כאלה נהוגים לעיתים קרובות במדעי החברה ובמיוחד בניתוח כלכלי של התערבויות חינוכיות ובריאותיות. לניסויי שדה יש את היתרון בכך שהתוצאות נצפות בתנאים טבעיים ולא בתנאי מעבדה מלאכותיים. להבדיל מניסויים טבעיים, החוקר בניסוי שדה מציג משתנה חדש, או משנה את גודלו של משתנה קיים, בשדה הניסוי. אולם, כמו ניסויים מבוקרים למחצה, גם ניסויי שדה סובלים מן האפשרות של משתנים מתערבים העלולים לגרום לתוצאות בלתי מדויקות.

ניסויי שדה מקובלים מאוד בפסיכולוגיה. בניסויי שדה בפסיכולוגיה המדען עשוי לשכור שחקנים שיציגו מצגי שווא לאנשים המשתתפים בניסוי בלא ידיעתם (זה דורש אישור מוועדת האתיקה). דוגמה לניסוי כזה - ניסוי האנשים המביטים אל השמים: המדען שוכר שחקנים שעומדים ברחוב ומביטים ממושכות אל השמים. הניסוי מנסה לברר את השפעתו של לחץ חברתי. שאלת הניסוי היא "באילו תנאים יצטרפו אנשים אחרים אל השחקנים ויביטו גם הם בשמים?" מתברר שככל שיש יותר שחקנים שמביטים אל השמים, כך מצטרפים אליהם יותר אנשים אחרים שמביטים אל השמים. האחרים עשויים אפילו להביט אל השמים ממושכות. ככל הנראה משוכנעים אנשים רבים שאם יש לאחרים סיבה להביט בשמים אז גם להם יש סיבה להביט בשמים.

המונח "ניסוי" מצביע בדרך כלל על עריכת הליך בתנאים מבוקרים, אולם לעיתים עריכת ניסויים מבוקרים מסובכת ביותר או אפילו בלתי אפשרית. במקרים כאלה חוקרים נאלצים לבצע "ניסויים טבעיים" או "תצפיות השוואתיות". התצפית ההשוואתית המיטבית היא מציאה של שני מושאים לתצפית שדומים בתכונות רבות אך שונים רק בתכונות שאותם מעוניין המדען לחקור. למעשה, ניסוי טבעי מיטבי הוא מצב בו ניסוי שלא היה בכוחו של האדם לערוך, כאילו נערך בסיוע כוחות הטבע.

דוגמה לניסוי טבעי - בדיקת השפעת קצב התמותה באוכלוסייה האנושית על קצב הילודה. המדען אינו יכול להרוג אנשים לשם הניסוי. אולם, הוא יכול להשוות את קצב הילודה בחברה מסוימת לפני ואחרי אסון טבע או מלחמה. הוא יכול גם למצוא שתי חברות שקצב הילודה בהן היה דומה עד שאחת מהם חוותה אסון טבע שהמית רבים מהפרטים בה.

דוגמה אחרת לניסוי טבעי - השוואת תאומים זהים עם שוני ספציפי. יש שני סוגים של מחקרים שמשווים תאומים זהים עם שוני ספציפי. האחד הוא תצפית לחיפוש השערות, למשל חיפוש השערות למנגנון הפתולוגי של מחלת הסכיזופרניה אצל זוגות תאומים זהים שלאחד מהם יש מחלה כזו ולשני לא. הסוג השני הוא ניסוי טבעי שבודק השערה ספציפית לגבי סיבה ומסובב. לדוגמה: ההשערה היא שסמים גורמים לסכיזופרניה אצל מי שנמצא בקבוצת סיכון. הניסוי הטבעי - איתור זוגות של תאומים זהים שלאחד מהם יש הרשעות אחדות בענייני סמים ולשני אין שום הרשעה כזו ומציאת הבדל התדירות בהופעת הסכיזופרניה בין מורשעי הסמים לבין אלו שאינם (ההנחה היא שמי שמורשע השתמש בסמים הרבה יותר ממי שלא הורשע).

ניסויים טבעיים מתבססים על תצפיות באשר למשתנים במערכת שאותה חוקרים, זאת תחת ניסיון לבנות מערכת לבקרת משתנים אלה. הניסוי נערך מבלי שהחוקר מבצע מניפולציה כלשהי בתופעה הנחקרת, זולת מדידת משתנים. בתנאים אלה מנסה החוקר לאסוף נתונים מן המערכת באופן שבו ניתן ללמוד על תרומתו היחסית של כל משתנה לתופעה ובמקרים שבהם משתנים מסוימים נותרים יציבים לאורך זמן ניתן ללמוד על השפעת משתנים אחרים. המידה שבה דבר זה אפשרי תלויה בקורלציה שבין המשתנים המסבירים בנתוני התצפית. כאשר לא קיימת קורלציה טובה בין המשתנים, ניתן להתקרב בניסויים טבעיים לרמת ודאות בתוצאות המתקבלת בניסויים מבוקרים. אולם לרוב, קיימת קורלציה כלשהי בין המשתנים, כך יורדת המהימנות של תוצאות הניסוי הטבעי ביחס למה שניתן היה להסיק מניסוי הנערך בתנאים מבוקרים. כמו כן, כיוון שניסויים טבעים מתרחשים בדרך כלל בסביבה לא מבוקרת, משתנים ממקורות שלא זוהו אינם נמדדים ולא מבוקרים ואלה עשויים "לזהם" את הנתונים הנמדדים ולגרום לאשליה של קורלציה ביניהם.

מחקר רב בשטחי מדע מסוימים הוא בעל אופי של ניסויים טבעים, כך למשל ניסויים בשדה הכלכלה, מדע המדינה, גאולוגיה, אקולוגיה, מטאורולוגיה ואסטרונומיה. לדוגמה, בשטח האסטרונומיה, כאשר מנסים לבדוק את ההשערה "שמשות הן ענני מימן הקורסים לתוך עצמם", ברור שלא ניתן להתחיל את הניסוי בכך שנפריח ענן מימן ענק ואז נמתין משך מספר מיליארדי שנה כדי לראות אם תיווצר שמש. עם זאת, על ידי תצפיות בענני מימן בשלבים שונים של קריסה וכן תצפית על מסקנות אחרות של השערה זו (לדוגמה, פליטת אור באורך גל מסוים משמשות קיימות), ניתן לאסוף נתונים הדרושים לצורך תמיכה בהשערה. דוגמה היסטורית לניסוי טבעי הייתה ההוכחה הראשונה במאה ה-17 כי אור איננו עובר ממקום למקום באופן מיידי, אלא במהירות שניתנת למדידה. תצפיות על הופעת הירחים של צדק הדגימו השהיית מה כאשר צדק היה מרוחק יותר מכדור הארץ, ביחס למועד הופעתם מאשר כאשר צדק היה קרוב יותר לכדור הארץ. תופעה זו הדגימה כי ההשהיה בהופעת הירחים היא ביחס ישר למהירות האור.

יש ניסויים תצפיתיים שהם דומים מאוד לניסויים מבוקרים להוציא את העובדה שאין בהם את השוויון ההסתברותי בין דגימת הניסוי לדגימת הבקרה. לאחרים גם אין השערה מוגדרת היטב. דוגמאות לניסויים כאלה:

• פיילוט - ניסוי פשוט וזול שמקדים ניסוי יקר או מסובך ומדמה אותו. ניסוי כזה נועד למצוא שגיאות גסות בשיטת הניסוי, לפני שהן גורמות נזק כלכלי רב. ניסוי פיילוט יכול להקדים ולדמות גם תצפית יקרה או מסובכת. למשל - חלוקת שאלון חדש לעשרה אנשים כדי לבדוק אם הם מבינים נכון את השאלות, לפני שמפיצים את השאלון בין רבבות אנשים.
• בדיקת רעילות תרופות בבני אדם - לפני שעושים ניסוי מבוקר גדול בתרופה חדשה, בשיטת הבדיקה העיוורת הכפולה, נותנים את התרופה לעשרה חולים סופניים מתנדבים, כדי לבדוק אם היא רעילה באופן קיצוני. בדיקה כזו נעשית אחרי שלבי הניסוי של התרופה בחיות מעבדה.
• ניסויים כאלה מתבצעים לעיתים קרובות בשטח הרפואה שבו, בשל שיקולים אתיים, אין זה אפשרי ליצור קבוצת בקרה אמיתית.
• תיאור מקרה ברפואה. כעקרון, כשאיש מדע נתקל בתופעה לא מוכרת, עליו לנהל מחקר תצפיתי טהור על אודותיה ולדווח על תוצאות התצפית לעמיתיו. אולם, תצפית על סבלו אדם שבו נתגלתה מחלה לא מוכרת, בלא כל ניסיון לעזור לו, נחשב למאוד לא מוסרי. לכן, תיאור מקרה ברפואה מכיל גם תיאור של ניסיונות וטעייה לטיפול.
• מחקר על אודות תופעה שאי אפשר למצוא מדגם מייצג שלה. לדוגמה, מחלה מוכרת ונדירה.

תוצאותיהם של ניסויים תצפיתיים הם בעלי מהימנות נמוכה יותר מניסויים מבוקרים, כיוון שהם חשופים הרבה יותר לסכנת הטיה בבחירת המשתתפים. חוקרים מנסים לענות על חולשה זו בעזרת חישובים סטטיסטיים מסובכים.

כעקרון, הדמיה אינה ניסוי משום שניסוי יש לעשות בטבע או בחלק של הטבע שיש נימוק משכנע כי הוא יכול לשמש מודל לשאר הטבע. מסיבה זו, הדמיה ממוחשבת של ניסוי אינה יכולה להוכיח את צידקתה של השערה זו או אחרת. אולם, הדמיה כזו יכולה להוכיח שהשערה כל שהיא מכילה סתירה פנימית.

הדמיה ממוחשבת של ניסוי יכולה להיעשות כאשר יש ידע כמותי על חלקי המערכת, אולם לא ברור אם הידע הכמותי סותר השערה לגבי פעולת המערכת או תומך בה. לדוגמה, פרופ' חנה פרנס מהאוניברסיטה העברית בירושלים הפריכה בעזרת הדמיה ממוחשבת את ההשערה שהייתה מקובלת במשך שנים רבות, על פיה הנוירוטרנסמיטורים שבסינפסה נעים בעזרת דיפוזיה בלבד. נוסחת מהירות התנועה בדיפוזיה הייתה ידועה כמו גם אורך הסינפסות וזמן התגובה. ההדמיה הממוחשבת הבהירה שעל פי ההנחה המקובלת, מהירות ההולכה שאמורה להיות לטרנסמיטורים היא איטית יותר מזו שיש להם במציאות. בעקבות תגליתה של פרנס, היה צורך בחיפוש השערה חליפית ועריכת ניסויים בתאי עצב אמיתיים. נמצא שמולקולות הנוירוטרנסמיטורים מונעות על ידי דחייה חשמלית זו מזו וממולקולות נוספות המשתחררות עמן אל הסינפסה.

• מחקר
• תוקף

מיזמי קרן ויקימדיה
ציטוטים בוויקיציטוט: ניסוי
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: ניסוי

• גילי כהן, עמוס הראל, שיפורים מוכנסים בטיל "חץ", לאחר שהתבררו הסיבות לכשלון ניסוי היירוט האחרון, באתר הארץ, 24 בפברואר 2015
• Cochran, William G.; Cox, Gertrude M. (1950). Experimental Designs. New York: Wiley.