Mi a tudományos elmélet?

az alkalmi beszélgetésekben az emberek gyakran használják az elmélet szót a “megérzés” vagy a “találgatás” jelentésére: Ha ugyanazt az embert látja minden reggel az északi irányú buszon, akkor elmélete szerint a város északi végén van munkája; ha elfelejti betenni a kenyeret a kenyérdobozba, és másnap reggel felfedezi, hogy darabokat vettek ki belőle, akkor elmélete szerint egerek vannak a konyhában.

a tudományban az elmélet erősebb állítás. Jellemzően, ez egy állítás a különböző tények közötti kapcsolatról; egy módja annak, hogy tömör magyarázatot adjon arra, amit megfigyeltek. Az Amerikai Természettudományi Múzeum így fogalmaz: “az elmélet a természeti világ egy olyan aspektusának jól megalapozott magyarázata, amely törvényeket, hipotéziseket és tényeket tartalmazhat.”

például Newton gravitációs elmélete—más néven az egyetemes gravitáció törvénye—azt mondja, hogy minden tárgy, bárhol az univerzumban, ugyanúgy reagál a gravitációs erőre. Megfigyelési adatok a Hold Föld körüli mozgásáról, a Jupiter holdjainak mozgása a Jupiter körül, valamint egy ledobott kalapács lefelé esése mind összhangban vannak Newton elméletével. Tehát Newton elmélete tömör módon foglalja össze azt, amit tudunk ezeknek a tárgyaknak a mozgásáról—valójában minden olyan tárgyról, amely reagál a gravitációs erőre.

egy tudományos elmélet “szervezi a tapasztalatokat” – mondja James Robert Brown, a Torontói Egyetem tudományos filozófusa a Mental Floss-nak. “Ez egyfajta szisztematikus formába helyezi.”

egy sikeres elmélet magyarázza

egy elmélet azon képességét, hogy figyelembe vegye a már ismert tényeket, szilárd alapot teremt annak elfogadásához. Nézzük meg közelebbről Newton gravitációs elméletét.

a 17.század végén a bolygókról ismert volt, hogy elliptikus pályákon mozognak a Nap körül, de senkinek sem volt világos elképzelése arról, hogy miért kellett a pályákat ellipszis alakúra alakítani. Hasonlóképpen, a leeső tárgyak mozgását jól megértették Galileo fél évszázaddal korábbi munkája óta; az olasz tudós kidolgozott egy matematikai képletet, amely leírja, hogyan növekszik a leeső tárgy sebessége az idő múlásával. Newton nagy áttörése az volt, hogy mindezt összekapcsolja. A legenda szerint, betekintési pillanata akkor jött, amikor szülőföldjén, Lincolnshire-ben egy eső almára nézett.

Newton elméletében minden tárgy vonzódik minden más tárgyhoz olyan erővel, amely arányos a tárgyak tömegével, de fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével. Ez az úgynevezett “inverz négyzet” törvény. Például, ha a nap és a Föld közötti távolság megduplázódna, a föld és a nap közötti gravitációs vonzás a jelenlegi erősségének egynegyedére csökkenne. Newton elméletei és egy kis kalkulus segítségével meg tudta mutatni, hogy a nap és a bolygók közötti gravitációs erő, amikor az űrben mozognak, azt jelenti, hogy a pályáknak elliptikusnak kell lenniük.Newton elmélete erőteljes, mert sok mindent megmagyaráz: a lehulló almát, a Hold mozgását a Föld körül, és az összes bolygó—sőt üstökösök—mozgását a Nap körül. Most már mindennek van értelme.

egy sikeres elmélet azt jósolja, hogy

egy elmélet még nagyobb támogatást nyer, ha új, megfigyelhető jelenségeket jósol. Edmond Halley angol csillagász Newton gravitációs elméletét használta a nevét viselő üstökös pályájának kiszámításához. Figyelembe véve a nap, a Jupiter és a Szaturnusz gravitációs vonzását, 1705-ben megjósolta, hogy az üstökös, amelyet utoljára 1682-ben láttak, 1758-ban tér vissza. Elég biztos, hogy megtette, az év decemberében jelent meg újra. (Sajnos Halley nem élte meg, hogy lássa; 1742-ben halt meg.) A Halley-üstökös várható visszatérése, Brown szerint, Newton elméletének “látványos diadala” volt.

a 20.század elején Newton gravitációs elméletét—ahogy a fizikusok mondják—Einstein általános relativitáselmélete váltja fel. (Ahol Newton a gravitációt tárgyak között ható erőként képzelte el, Einstein a gravitációt maga a tér görbületének vagy vetemedésének eredményeként írta le.) Az általános relativitáselmélet meg tudott magyarázni bizonyos jelenségeket, amelyeket Newton elmélete nem tudott megmagyarázni, például egy anomáliát a Merkúr pályáján, amely lassan forog—ennek szakkifejezése a “precesszió”—, így míg a bolygó minden egyes hurokja a Nap körül ellipszis, az évek során a Merkúr egy spirális utat követ, amely hasonló ahhoz, amit gyerekként egy Spirográfon készítettél.

lényeges, hogy Einstein elmélete olyan előrejelzéseket is tett, amelyek eltérnek Newtonétól. Az egyik az volt az elképzelés, hogy a gravitáció meg tudja hajlítani a csillagfényt, amelyet látványosan megerősítettek egy 1919-es napfogyatkozás során (és Einsteint egyik napról a másikra híressé tette). Közel 100 évvel később, 2016-ban a gravitációs hullámok felfedezése megerősítette egy újabb előrejelzést. Között a században, Einstein elméletének legalább nyolc előrejelzését megerősítették.

egy elmélet fejlődhet, egyesülhet vagy helyettesíthető

és mégis a fizikusok úgy vélik, hogy Einstein elmélete egy napon helyet ad egy új, teljesebb elméletnek. Úgy tűnik, hogy már ütközik a kvantummechanikával, azzal az elmélettel, amely a szubatomi világ legjobb leírását nyújtja. A két elmélet a világot nagyon eltérő módon írja le. Az általános relativitáselmélet szerint az univerzum meghatározott pozíciójú és sebességű részecskéket tartalmaz, amelyek az egész teret átható gravitációs mezőkre reagálva mozognak. A kvantummechanika ezzel szemben csak azt a valószínűséget adja, hogy minden részecske megtalálható egy adott helyen, egy adott időpontban.

hogyan nézne ki egy “egységes fizikai elmélet”, amely egyesíti a kvantummechanikát és Einstein gravitációs elméletét? Feltehetően kombinálná mindkét elmélet magyarázó erejét, lehetővé téve a tudósok számára, hogy megértsék mind a nagyon nagy, mind a nagyon kicsi az univerzumban.

egy elmélet is lehet tény

térjünk át a fizikáról a biológiára egy pillanatra. Pontosan a hatalmas magyarázó ereje miatt tartják a biológusok Darwin evolúciós elméletét—amely lehetővé teszi a tudósok számára, hogy értelmezzék a genetika, a fiziológia, a biokémia, a paleontológia, a biogeográfia és sok más terület adatait—ilyen nagy becsben. Ahogy Theodosius Dobzhansky biológus 1973-ban egy befolyásos esszében fogalmazott: “a biológiában semmi sem értelme, kivéve az evolúció fényében.”

érdekes módon az evolúció szó mind elméletre, mind tényre utalhat—amit Darwin maga is megvalósított. “Darwin, amikor az evolúcióról beszélt, különbséget tett az evolúció ténye és az evolúció elmélete között” – mondja Brown. “Az evolúció ténye az volt, hogy a fajok valóban fejlődtek —és mindenféle bizonyítékkal rendelkezett erre. Az evolúció elmélete megpróbálja megmagyarázni ezt az evolúciós folyamatot.”A magyarázat, amellyel Darwin végül előállt, a természetes szelekció gondolata volt—nagyjából az az elképzelés, hogy egy szervezet utódai változnak, és hogy a kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkező utódok nagyobb valószínűséggel maradnak életben, így átadva ezeket a tulajdonságokat a következő generációnak.

bízunk az elméletekben

sok elmélet sziklaszilárd: a tudósok ugyanúgy bíznak a relativitáselméletben, a kvantummechanikában, az evolúcióban, a lemeztektonikában és a termodinamikában, mint abban az állításban, hogy a Föld a Nap körül forog.

más elméletek, amelyek közelebb állnak a jelenlegi kutatások élvonalához, kísérletezőbbek, mint például a húrelmélet (az az elképzelés, hogy az univerzumban minden apró, vibráló húrokból vagy tiszta energia hurkokból áll) vagy a különféle multiverzum elméletek (az az elképzelés, hogy az egész univerzumunk csak egy a sok közül). A húrelmélet és a multiverzum elméletek továbbra is ellentmondásosak a közvetlen kísérleti bizonyítékok hiánya miatt, és egyes kritikusok azt állítják, hogy a multiverzum elméletek elvileg nem is tesztelhetők. Azt állítják, hogy nincs olyan elképzelhető kísérlet, amelyet el lehetne végezni, amely felfedné ezeknek a más univerzumoknak a létezését.

néha egynél több elméletet terjesztenek elő a természeti jelenségek megfigyeléseinek magyarázatára; ezek az elméletek azt mondhatják, hogy “versenyeznek” azzal, hogy a tudósok megítélik, melyik adja a legjobb magyarázatot a megfigyelésekre.

“ideális esetben így kell működnie” – mondja Brown. “Te előterjesztetted az elméletedet, én előterjesztettem az elméletemet; sok bizonyítékot gyűjtünk össze. Végül az egyik elméletünk nyilvánvalóan jobbnak bizonyulhat, mint a másik, bizonyos idő alatt. Ezen a ponton a vesztes elmélet valahogy eltűnik. A győztes elmélet pedig valószínűleg csatákat fog vívni a jövőben.”