Mikä on tieteellinen teoria?

satunnaisissa keskusteluissa ihmiset käyttävät usein sanaa teoria tarkoittamaan ”aavistusta” tai ”arvausta”: jos näet saman miehen ajavan pohjoiseen menevällä bussilla joka aamu, saatat teoretisoida, että hänellä on työpaikka kaupungin pohjoispäässä; jos unohdat laittaa leivän leipälaatikkoon ja huomaat, että siitä on otettu palasia seuraavana aamuna, saatat teoretisoida, että keittiössäsi on hiiriä.

tieteessä teoria on vahvempi väite. Tyypillisesti se on väite eri faktojen suhteesta; tapa antaa tiivis selitys sille, mitä on havaittu. American Museum of Natural History esittää asian näin: ”teoria on hyvin perusteltu selitys luonnon piirteestä, johon voi sisältyä lakeja, hypoteeseja ja tosiasioita.”

esimerkiksi Newtonin gravitaatioteoria—joka tunnetaan myös hänen universaalin gravitaation lakinaan—sanoo, että jokainen kappale, Missä tahansa maailmankaikkeudessa, reagoi painovoimaan samalla tavalla. Havaintoaineisto Kuun liikkeestä Maan ympäri, Jupiterin kuiden liikkeestä Jupiterin ympäri ja pudotetun vasaran putoamisesta alaspäin ovat kaikki yhtäpitäviä Newtonin teorian kanssa. Niinpä Newtonin teoria tarjoaa ytimekkään tavan esittää yhteenveto siitä, mitä tiedämme näiden kappaleiden liikkeistä—todellakin kaikkien niiden kappaleiden liikkeistä, jotka reagoivat painovoimaan.

tieteellinen teoria ”järjestää kokemusta”, Toronton yliopiston tieteenfilosofi James Robert Brown kertoo Mental Flossille. ”Se asettaa sen jonkinlaiseen systemaattiseen muotoon.”

onnistunut teoria selittää

teorian kyky selittää jo tiedossa olevia tosiasioita luo vankan perustan sen hyväksymiselle. Katsotaanpa tarkemmin Newtonin teoriaa painovoimasta esimerkkinä.

1600-luvun lopulla planeettojen tiedettiin liikkuvan elliptisillä radoilla Auringon ympäri, mutta kenelläkään ei ollut selvää käsitystä siitä, miksi ratojen piti olla ellipsin muotoisia. Samoin putoavien kappaleiden liike oli ymmärretty hyvin Galilein työstä lähtien puoli vuosisataa aiemmin; italialainen tiedemies oli keksinyt matemaattisen kaavan, joka kuvaa, miten putoavan kappaleen nopeus kasvaa ajan myötä. Newtonin suuri läpimurto oli sitoa kaikki tämä yhteen. Legendan mukaan hänen oivalluksensa hetki koitti, kun hän katseli putoavaa omenaa kotimaassaan Lincolnshiressa.

Newtonin teorian mukaan jokainen kappale vetää puoleensa jokaista toista kappaletta voimalla, joka on verrannollinen kappaleiden massoihin, mutta kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Tämä tunnetaan ”käänteisenä neliölakina”. Jos esimerkiksi auringon ja maan välinen etäisyys kaksinkertaistettaisiin, maan ja auringon välinen vetovoima leikkautuisi neljäsosaan sen nykyisestä voimakkuudesta. Newton, käyttäen hänen teorioita ja hieman calculus, pystyi osoittamaan, että painovoima auringon ja planeettojen, kun ne liikkuvat avaruudessa tarkoitti, että kiertoradat oli elliptinen.

Newtonin teoria on tehokas, koska se selittää niin paljon: putoavan omenan, kuun liikkeen Maan ympäri ja kaikkien planeettojen—ja jopa komeettojen—liikkeen Auringon ympäri. Kaikki kävi nyt järkeen.

onnistunut teoria ennustaa

teoria saa vielä enemmän kannatusta, jos se ennustaa uusia, havaittavia ilmiöitä. Englantilainen tähtitieteilijä Edmond Halley käytti Newtonin painovoimateoriaa laskiessaan nykyisin hänen nimeään kantavan komeetan kiertoradan. Ottaen huomioon auringon, Jupiterin ja Saturnuksen vetovoiman hän ennusti vuonna 1705, että komeetta, joka oli nähty viimeksi vuonna 1682, palaisi vuonna 1758. Niin tosiaan kävi, ja se ilmestyi uudelleen saman vuoden joulukuussa. (Valitettavasti Halley ei elänyt nähdäkseen sitä; hän kuoli vuonna 1742.) Halleyn komeetan ennustettu paluu oli Brownin mukaan Newtonin teorian ”huikea riemuvoitto”.

1900—luvun alussa Newtonin painovoimateoria itsessään syrjäyttäisi—kuten fyysikot asian ilmaisivat-Einsteinin teorian, joka tunnetaan yleisenä suhteellisuusteoriana. (Siinä missä Newton kuvitteli gravitaation kappaleiden välillä vaikuttavana voimana, Einstein kuvasi gravitaation johtuvan itse avaruuden kaartumisesta tai vääntymisestä.) Yleinen suhteellisuusteoria kykeni selittämään tiettyjä ilmiöitä, joita Newtonin teoria ei kyennyt selittämään, kuten poikkeaman Merkuriuksen kiertoradalla, joka pyörii hitaasti—tekninen termi tälle on ”Prekessio”—niin, että vaikka jokainen silmukka, jonka planeetta kiertää Aurinkoa, on ellipsi, vuosien mittaan Merkurius jäljittää spiraalirataa, joka on samanlainen kuin se, jonka olet saattanut tehdä lapsena Spirografilla.

merkittävästi Einsteinin teoria esitti myös ennustuksia, jotka poikkesivat Newtonin teoriasta. Yksi oli ajatus, että painovoima voi taivuttaa tähtivaloa, mikä vahvistettiin näyttävästi auringonpimennyksen aikana vuonna 1919 (ja teki Einsteinista yhdessä yössä kuuluisuuden). Lähes 100 vuotta myöhemmin, vuonna 2016, gravitaatioaaltojen löytyminen vahvisti jälleen yhden ennustuksen. Välisellä vuosisadalla on vahvistettu ainakin kahdeksan Einsteinin teorian ennustusta.

teoria voi kehittyä, sulautua tai korvautua

ja silti fyysikot uskovat Einsteinin teorian jonain päivänä väistyvän uuden, täydellisemmän teorian tieltä. Se näyttää jo olevan ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa, teorian, joka tarjoaa parhaan kuvauksen subatomisesta maailmasta. Näiden kahden teorian tapa kuvata maailmaa on hyvin erilainen. Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa, että maailmankaikkeudessa on hiukkasia, joilla on tarkat sijainnit ja nopeudet ja jotka liikkuvat koko avaruuden läpäisevien gravitaatiokenttien vaikutuksesta. Kvanttimekaniikka sen sijaan tuottaa vain sen todennäköisyyden, että jokainen hiukkanen löytyy jostakin tietystä paikasta tiettynä aikana.

miltä näyttäisi kvanttimekaniikkaa ja Einsteinin painovoimateoriaa yhdistävä ”yhtenäinen fysiikan teoria”? Oletettavasti se yhdistäisi molempien teorioiden selitysvoiman, jolloin tiedemiehet voisivat ymmärtää sekä hyvin suurta että hyvin pientä maailmankaikkeudessa.

teoria voi olla myös tosiasia

siirrytään hetkeksi fysiikasta biologiaan. Juuri sen valtavan selittävyyden vuoksi biologit pitävät Darwinin evoluutioteoriaa—jonka avulla tiedemiehet voivat ymmärtää genetiikan, fysiologian, biokemian, paleontologian, biogeografian ja monien muiden alojen tietoja—niin suuressa arvossa. Biologi Theodosius Dobzhansky sanoikin sen eräässä vaikutusvaltaisessa esseessään vuonna 1973: ”mikään biologiassa ei ole järkevää paitsi evoluution valossa.”

mielenkiintoista on, että sanalla evoluutio voidaan viitata sekä teoriaan että tosiasiaan—jonka Darwin itse oivalsi. ”Darwin teki evoluutiosta puhuessaan eron evoluution tosiasian ja evoluutioteorian välillä”, Brown sanoo. ”Evoluution tosiasia oli, että lajit olivat itse asiassa kehittyneet-ja hänellä oli kaikenlaisia todisteita tästä. Evoluutioteoria on yritys selittää tätä evoluutioprosessia.”Selitys, jonka Darwin lopulta keksi, oli ajatus luonnonvalinnasta—karkeasti ottaen ajatus siitä, että eliön jälkeläiset vaihtelevat ja että ne jälkeläiset, joilla on suotuisammat ominaisuudet, jäävät todennäköisemmin eloon ja siirtävät siten nuo ominaisuudet seuraavalle sukupolvelle.

luotamme teorioihin

monet teoriat ovat järisyttäviä: tutkijat luottavat yhtä paljon suhteellisuusteoriaan, kvanttimekaniikkaan, evoluutioon, laattatektoniikkaan ja termodynamiikkaan kuin väitteeseen, jonka mukaan Maa kiertää Aurinkoa.

muut teoriat, jotka ovat lähempänä nykyisen tutkimuksen huippua, ovat varovaisempia, kuten säieteoria (ajatus siitä, että kaikki maailmankaikkeudessa koostuu pienistä, värähtelevistä merkkijonoista tai puhtaan energian silmukoista) tai erilaiset multiversumiteoriat (ajatus siitä, että koko maailmankaikkeus on vain yksi monista). Säieteoria ja multiversumiteoriat ovat edelleen kiistanalaisia, koska niistä ei ole suoraa kokeellista näyttöä, ja jotkut kriitikot väittävät, että multiversumiteoriat eivät ole edes periaatteessa testattavissa. He väittävät, ettei ole mitään ajateltavissa olevaa koetta, jonka voisi suorittaa, joka paljastaisi näiden muiden universumien olemassaolon.

joskus esitetään useampaa kuin yhtä teoriaa luonnonilmiöiden havaintojen selittämiseksi; näiden teorioiden voidaan sanoa ”kilpailevan” tutkijoiden päätellessä, mikä niistä antaa havainnoille parhaan selityksen.

”niin sen pitäisi ihanteellisesti toimia”, Brown sanoo. ”Te esitätte teorianne, minä esitän Oman teoriani; me keräämme paljon todisteita. Lopulta yksi teorioistamme voi osoittautua selvästi paremmaksi kuin toinen, jonkin ajan kuluessa. Siinä vaiheessa häviämisteoria tavallaan putoaa pois. Voittajateoria käy todennäköisesti taisteluja myös tulevaisuudessa.”