Hvad er en videnskabelig teori?
i afslappet samtale bruger folk ofte ordet teori til at betyde “hunch” eller “gæt”: hvis du ser den samme mand køre på den nordgående bus hver morgen, kan du teoretisere, at han har et job i den nordlige ende af byen; hvis du glemmer at lægge brødet i brødkassen og opdage, at der er taget bidder ud af det næste morgen, kan du teoretisere, at du har mus i dit køkken.
i videnskab er en teori en stærkere påstand. Det er typisk et krav om forholdet mellem forskellige fakta; en måde at give en kortfattet forklaring på, hvad der er blevet observeret. American Museum of Natural History udtrykker det på denne måde: “en teori er en velbegrundet forklaring på et aspekt af den naturlige verden, der kan inkorporere love, hypoteser og fakta.”for eksempel siger teorien om tyngdekraften—også kendt som hans Lov om universel gravitation—at ethvert objekt, hvor som helst i universet, reagerer på tyngdekraften på samme måde. Observationsdata fra månens bevægelse rundt om Jorden, bevægelsen af Jupiters måner omkring Jupiter og det nedadgående fald af en faldet hammer er alle i overensstemmelse med Nyton ‘ s teori. Teorien giver en kortfattet måde at opsummere, hvad vi ved om bevægelsen af disse objekter—ja, af ethvert objekt, der reagerer på tyngdekraften.
en videnskabelig teori “organiserer erfaring”, fortæller James Robert brun, en videnskabsfilosof ved University of Toronto, Mental Floss. “Det sætter det i en slags systematisk form.”
en vellykket teori forklarer
en teoris evne til at redegøre for allerede kendte fakta lægger et solidt fundament for dens accept. Lad os se nærmere på gravitationsteorien som et eksempel.i slutningen af det 17.århundrede var planeterne kendt for at bevæge sig i elliptiske baner omkring Solen, men ingen havde en klar ide om, hvorfor banerne skulle formes som ellipser. Tilsvarende, bevægelsen af faldende genstande var blevet godt forstået siden Galileos arbejde et halvt århundrede tidligere; den italienske videnskabsmand havde udarbejdet en matematisk formel, der beskriver, hvordan hastigheden af et faldende objekt stiger over tid. Hans store gennembrud var at binde det hele sammen. Ifølge legenden kom hans øjeblik med indsigt, da han så på et faldende æble i sit hjemland Lincolnshire.i teorien tiltrækkes hvert objekt til hvert andet objekt med en kraft, der er proportional med objektets masser, men omvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem dem. Dette er kendt som en “omvendt firkant” lov. For eksempel, hvis afstanden mellem Solen og Jorden blev fordoblet, ville gravitationsattraktionen mellem Jorden og solen blive skåret til en fjerdedel af dens nuværende styrke. Ved hjælp af sine teorier og en smule beregning kunne han vise, at tyngdekraften mellem Solen og planeterne, når de bevæger sig gennem rummet, betød, at kredsløbene skulle være elliptiske.teorien er stærk, fordi den forklarer så meget: det faldende æble, månens bevægelse rundt om Jorden og bevægelsen af alle planeterne—og endda kometer—omkring Solen. Det hele gav nu mening.
en vellykket teori forudsiger
en teori får endnu mere støtte, hvis den forudsiger nye, observerbare fænomener. Den engelske astronom Edmond Halley brugte tyngdekraften til at beregne kometens bane, der nu bærer hans navn. Under hensyntagen til solens, Jupiters og Saturns tyngdekraft i 1705 forudsagde han, at kometen, som sidst var set i 1682, ville vende tilbage i 1758. Helt sikkert, det gjorde, dukkede op igen i December samme år. (Desværre levede Halley ikke for at se det; han døde i 1742. Den forudsagte tilbagevenden af Halleys komet, siger Brun, var “en spektakulær triumf” af Nytons teori.i begyndelsen af det 20.århundrede ville teorien om tyngdekraften i sig selv blive afløst—som fysikere udtrykte det—af Einsteins, kendt som generel relativitet. Hvor Einstein forestillede sig tyngdekraften som en kraft, der virker mellem objekter, beskrev han tyngdekraften som et resultat af en krumning eller vridning af selve rummet. En anomali i Mercury ‘ s kredsløb, som langsomt roterer—det tekniske udtryk for dette er “præcession”—så mens hver sløjfe, som planeten tager rundt om Solen, er en ellipse, sporer kviksølv i årenes løb en spiralsti, der ligner en, du måske har lavet som barn på en Spirograf.betydeligt, Einsteins teori gjorde også forudsigelser, der adskiller sig fra Nyton. Den ene var ideen om, at tyngdekraften kan bøje stjernelys, hvilket blev spektakulært bekræftet under en solformørkelse i 1919 (og gjorde Einstein til en berømthed natten over). Næsten 100 år senere, i 2016, bekræftede opdagelsen af gravitationsbølger endnu en forudsigelse. I århundredet mellem, mindst otte forudsigelser af Einsteins teori er blevet bekræftet.
en teori kan udvikle sig, fusionere eller erstattes
og alligevel mener fysikere, at Einsteins teori en dag vil give plads til en ny, mere komplet teori. Det ser allerede ud til at være i konflikt med kvantemekanik, teorien, der giver vores bedste beskrivelse af den subatomære verden. Den måde, de to teorier beskriver verden på, er meget anderledes. Generel relativitet beskriver universet som indeholdende partikler med bestemte positioner og hastigheder, bevæger sig som reaktion på gravitationsfelter, der gennemsyrer hele rummet. Kvantemekanik giver derimod kun sandsynligheden for, at hver partikel vil blive fundet på et bestemt sted på et bestemt tidspunkt.
hvad ville en”unified Theory of physics” —en der kombinerer kvantemekanik og Einsteins gravitationsteori—se ud? Formodentlig ville det kombinere den forklarende kraft i begge teorier, så forskere kunne give mening om både det meget store og det meget små i universet.
en teori kan også være en kendsgerning
lad os skifte fra fysik til biologi et øjeblik. Det er netop på grund af sin enorme forklarende kraft, at biologer holder Darvin ‘ s evolutionsteori—som gør det muligt for forskere at give mening om data fra genetik, fysiologi, biokemi, paleontologi, biogeografi og mange andre områder—i så høj grad. Som biologen Theodosius Dobjansky udtrykte det i et indflydelsesrige essay i 1973, “intet i biologi giver mening undtagen i lyset af evolutionen.”
interessant nok kan ordet evolution bruges til at henvise til både en teori og en kendsgerning—noget Darvin selv indså. “Darvin, da han talte om evolution, skelnet mellem evolutionens kendsgerning og evolutionsteorien,” siger brun. “Evolutionens kendsgerning var, at arter faktisk havde udviklet sig —og han havde alle mulige beviser for dette. Evolutionsteorien er et forsøg på at forklare denne evolutionære proces.”Forklaringen, som Darvin til sidst kom på, var ideen om naturlig udvælgelse—groft sagt ideen om, at en organisms afkom vil variere, og at de afkom med mere gunstige træk vil være mere tilbøjelige til at overleve og dermed overføre disse træk til den næste generation.
vi har tillid til teorier
mange teorier er bundsolide: forskere har lige så stor tillid til relativitetsteorierne, kvantemekanik, evolution, pladetektonik og termodynamik som de gør i udsagnet om, at Jorden drejer rundt om Solen.
andre teorier, tættere på forkant med den nuværende forskning, er mere foreløbige, ligesom strengteori (ideen om, at alt i universet består af små, vibrerende strenge eller sløjfer af ren energi) eller de forskellige multiverse teorier (ideen om, at hele vores univers kun er en af mange). Strengteori og multiverse teorier forbliver kontroversielle på grund af manglen på direkte eksperimentelle beviser for dem, og nogle kritikere hævder, at multiverse teorier ikke engang kan testes i princippet. De hævder, at der ikke er noget tænkeligt eksperiment, som man kunne udføre, der ville afsløre eksistensen af disse andre universer.
Nogle gange fremsættes mere end en teori for at forklare observationer af naturfænomener; disse teorier kan siges at “konkurrere” med forskere, der bedømmer, hvilken der giver den bedste forklaring på observationerne.
“sådan skal det ideelt set fungere,” siger brun. “Du fremsætter din teori, jeg fremsætter min teori; Vi samler en masse beviser. Til sidst kan en af vores teorier vise sig at være bedre end den anden over en vis periode. På det tidspunkt falder den tabende teori slags væk. Og den vindende teori vil sandsynligvis kæmpe kampe i fremtiden.”