Che cos’è una teoria scientifica?

Nelle conversazioni casuali, le persone usano spesso la parola teoria per significare “intuizione” o “indovinare”: se vedi lo stesso uomo che guida l’autobus in direzione nord ogni mattina, potresti teorizzare che ha un lavoro nella parte nord della città; se ti dimentichi di mettere il pane nel breadbox e scopri che i pezzi sono stati tolti da esso la mattina dopo, potresti teorizzare che hai topi nella tua cucina.

Nella scienza, una teoria è un’affermazione più forte. In genere, è un’affermazione sulla relazione tra vari fatti; un modo per fornire una spiegazione concisa per ciò che è stato osservato. L’American Museum of Natural History la mette così: “Una teoria è una spiegazione ben motivata di un aspetto del mondo naturale che può incorporare leggi, ipotesi e fatti.”

Ad esempio, la teoria della gravità di Newton—nota anche come la sua legge di gravitazione universale—dice che ogni oggetto, ovunque nell’universo, risponde alla forza di gravità allo stesso modo. I dati osservazionali dal moto della Luna intorno alla Terra, il moto delle lune di Giove intorno a Giove e la caduta verso il basso di un martello caduto sono tutti coerenti con la teoria di Newton. Quindi la teoria di Newton fornisce un modo conciso di riassumere ciò che sappiamo sul moto di questi oggetti—in effetti, di qualsiasi oggetto che risponde alla forza di gravità.

Una teoria scientifica “organizza l’esperienza”, dice James Robert Brown, filosofo della scienza all’Università di Toronto, Mental Floss. “Lo mette in una sorta di forma sistematica.”

UNA TEORIA DI SUCCESSO SPIEGA

La capacità di una teoria di tenere conto di fatti già noti pone una solida base per la sua accettazione. Diamo uno sguardo più da vicino alla teoria della gravità di Newton come esempio.

Alla fine del 17 ° secolo, i pianeti erano noti per muoversi in orbite ellittiche intorno al Sole, ma nessuno aveva una chiara idea del perché le orbite dovevano essere modellate come ellissi. Allo stesso modo, il movimento degli oggetti che cadono era stato ben compreso sin dall’opera di Galileo di mezzo secolo prima; lo scienziato italiano aveva elaborato una formula matematica che descrive come la velocità di un oggetto che cade aumenta nel tempo. Il grande passo avanti di Newton è stato quello di legare tutto questo insieme. Secondo la leggenda, il suo momento di intuizione arrivò mentre guardava una mela che cadeva nel suo nativo Lincolnshire.

Nella teoria di Newton, ogni oggetto è attratto da ogni altro oggetto con una forza proporzionale alle masse degli oggetti, ma inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. Questo è noto come una legge “quadrato inverso”. Ad esempio, se la distanza tra il Sole e la Terra fosse raddoppiata, l’attrazione gravitazionale tra la Terra e il Sole sarebbe ridotta a un quarto della sua forza attuale. Newton, usando le sue teorie e un po ‘ di calcolo, fu in grado di dimostrare che la forza gravitazionale tra il Sole e i pianeti mentre si muovono attraverso lo spazio significava che le orbite dovevano essere ellittiche.

La teoria di Newton è potente perché spiega così tanto: la mela che cade, il moto della Luna attorno alla Terra e il moto di tutti i pianeti—e persino delle comete—attorno al Sole. Ora tutto aveva un senso.

Una TEORIA DI SUCCESSO PREDICE

Una teoria guadagna ancora più supporto se predice nuovi fenomeni osservabili. L’astronomo inglese Edmond Halley ha usato la teoria della gravità di Newton per calcolare l’orbita della cometa che ora porta il suo nome. Prendendo in considerazione l’attrazione gravitazionale del Sole, Giove e Saturno, nel 1705, predisse che la cometa, che era stata vista l’ultima volta nel 1682, sarebbe tornata nel 1758. Abbastanza sicuro, lo ha fatto, riapparendo nel dicembre dello stesso anno. (Sfortunatamente, Halley non visse per vederlo; morì nel 1742. Il ritorno previsto della cometa di Halley, dice Brown, fu “un trionfo spettacolare” della teoria di Newton.

All’inizio del 20 ° secolo, la teoria della gravità di Newton sarebbe stata sostituita—come dicono i fisici—da quella di Einstein, nota come relatività generale. (Dove Newton immaginava la gravità come una forza che agisce tra gli oggetti, Einstein descrisse la gravità come il risultato di una curvatura o deformazione dello spazio stesso.) La relatività generale è stato in grado di spiegare alcuni fenomeni che la teoria di Newton ha potuto account per, come un’anomalia nell’orbita di Mercurio, che ruota lentamente—il termine tecnico per questo è “precessione”—in modo che, mentre ogni ciclo il pianeta gira intorno al Sole è un’ellisse, negli anni, Mercurio traccia di un percorso a spirale simile a quella che si può avere fatto come un bambino su un Spirografo.

Significativamente, la teoria di Einstein ha anche fatto previsioni che differivano da quelle di Newton. Uno era l’idea che la gravità potesse piegare la luce delle stelle, che fu spettacolarmente confermata durante un’eclissi solare nel 1919 (e rese Einstein una celebrità durante la notte). Quasi 100 anni dopo, nel 2016, la scoperta delle onde gravitazionali ha confermato un’altra previsione. Nel secolo tra, almeno otto previsioni della teoria di Einstein sono stati confermati.

UNA TEORIA PUÒ EVOLVERE, FONDERSI O ESSERE SOSTITUITA

Eppure i fisici credono che la teoria di Einstein un giorno lascerà il posto a una nuova teoria più completa. Sembra già in conflitto con la meccanica quantistica, la teoria che fornisce la nostra migliore descrizione del mondo subatomico. Il modo in cui le due teorie descrivono il mondo è molto diverso. La relatività generale descrive l’universo come contenente particelle con posizioni e velocità definite, che si muovono in risposta ai campi gravitazionali che permeano tutto lo spazio. La meccanica quantistica, al contrario, produce solo la probabilità che ogni particella si trovi in una particolare posizione in un determinato momento.

Che aspetto avrebbe una “teoria unificata della fisica”—una che combina la meccanica quantistica e la teoria della gravità di Einstein? Presumibilmente combinerebbe il potere esplicativo di entrambe le teorie, consentendo agli scienziati di dare un senso sia al molto grande che al molto piccolo nell’universo.

UNA TEORIA PUÒ ANCHE ESSERE UN FATTO

Passiamo dalla fisica alla biologia per un momento. È proprio a causa del suo vasto potere esplicativo che i biologi tengono la teoria dell’evoluzione di Darwin—che consente agli scienziati di dare un senso ai dati provenienti da genetica, fisiologia, biochimica, paleontologia, biogeografia e molti altri campi—in così alta considerazione. Come il biologo Theodosius Dobzhansky ha messo in un saggio influente nel 1973, ” Nulla in biologia ha senso se non alla luce dell’evoluzione.”

È interessante notare che la parola evoluzione può essere usata per riferirsi sia a una teoria che a un fatto—qualcosa che Darwin stesso realizzò. “Darwin, quando parlava di evoluzione, distingueva tra il fatto dell’evoluzione e la teoria dell’evoluzione”, dice Brown. “Il fatto dell’evoluzione era che le specie si erano, in effetti, evolute-e aveva ogni sorta di prova per questo. La teoria dell’evoluzione è un tentativo di spiegare questo processo evolutivo.”La spiegazione che Darwin alla fine ha inventato è stata l’idea della selezione naturale—approssimativamente, l’idea che la prole di un organismo varierà, e che quei discendenti con tratti più favorevoli avranno maggiori probabilità di sopravvivere, passando così quei tratti alla prossima generazione.

ABBIAMO FIDUCIA NELLE TEORIE

Molte teorie sono solide: gli scienziati hanno altrettanto fiducia nelle teorie della relatività, della meccanica quantistica, dell’evoluzione, della tettonica a placche e della termodinamica quanto nell’affermazione che la Terra ruota attorno al Sole.

Altre teorie, più vicine all’avanguardia della ricerca attuale, sono più provvisorie, come la teoria delle stringhe (l’idea che tutto nell’universo sia costituito da minuscole stringhe vibranti o anelli di pura energia) o le varie teorie del multiverso (l’idea che il nostro intero universo sia solo uno dei tanti). La teoria delle stringhe e le teorie del multiverso rimangono controverse a causa della mancanza di prove sperimentali dirette per loro, e alcuni critici affermano che le teorie del multiverso non sono nemmeno testabili in linea di principio. Sostengono che non esiste un esperimento immaginabile che si possa eseguire che rivelerebbe l’esistenza di questi altri universi.

A volte viene avanzata più di una teoria per spiegare le osservazioni dei fenomeni naturali; si potrebbe dire che queste teorie “competono”, con gli scienziati che giudicano quale fornisce la migliore spiegazione per le osservazioni.

“È così che dovrebbe idealmente funzionare”, dice Brown. “Tu hai avanzato la tua teoria, io ho avanzato la mia teoria; accumuliamo molte prove. Alla fine, una delle nostre teorie potrebbe rivelarsi ovviamente migliore dell’altra, per un certo periodo di tempo. A quel punto, la teoria perdente cade. E la teoria vincente probabilmente combatterà battaglie in futuro.”