Wat Is een wetenschappelijke theorie?

in informele gesprekken gebruiken mensen vaak het woord theorie om “ingeving” of “gok” te betekenen: als je dezelfde man elke ochtend in de bus naar het noorden ziet rijden, zou je kunnen theoretiseren dat hij een baan heeft in het noorden van de stad; als je vergeet het brood in de broodkist te doen en ontdekt dat de volgende ochtend brokken eruit zijn gehaald, zou je kunnen theoretiseren dat je muizen in je keuken hebt.

in de wetenschap is een theorie een sterkere bewering. Typisch, het is een bewering over de relatie tussen verschillende feiten; een manier om een beknopte uitleg te geven van wat er is waargenomen. Het American Museum of Natural History stelt het zo: “een theorie is een goed onderbouwde verklaring van een aspect van de natuurlijke wereld dat wetten, hypothesen en feiten kan bevatten.Newtons zwaartekrachttheorie—ook bekend als Zijn Wet van de universele zwaartekracht—zegt bijvoorbeeld dat elk object, waar dan ook in het heelal, op dezelfde manier reageert op de zwaartekracht. Observationele gegevens van de beweging van de maan rond de aarde, de beweging van de manen van Jupiter rond Jupiter, en de neergang van een vallende hamer zijn allemaal in overeenstemming met Newton ‘ s theorie. Dus Newton ‘ s theorie biedt een beknopte manier om samen te vatten wat we weten over de beweging van deze objecten—inderdaad, van elk object dat reageert op de zwaartekracht.een wetenschappelijke theorie “organiseert ervaring”, vertelt James Robert Brown, een wetenschapsfilosoof aan de Universiteit van Toronto, aan Mental Floss. “Het zet het in een soort van systematische vorm.”

een succesvolle theorie verklaart

het vermogen van een theorie om al bekende feiten te verklaren, legt een solide basis voor zijn acceptatie. Laten we de zwaartekrachttheorie van Newton als voorbeeld eens nader bekijken.

aan het eind van de 17e eeuw waren de planeten bekend om zich in elliptische banen rond de zon te bewegen, maar niemand had een duidelijk idee waarom de banen als ellipsen moesten worden gevormd. Ook de beweging van vallende objecten was goed begrepen sinds het werk van Galileo een halve eeuw eerder; de Italiaanse wetenschapper had een wiskundige formule uitgewerkt die beschrijft hoe de snelheid van een vallend object toeneemt in de tijd. Newton ‘ s grote doorbraak was om dit allemaal samen te brengen. Volgens de legende, zijn moment van inzicht kwam toen hij staarde op een vallende appel in zijn geboorteland Lincolnshire.

in de theorie van Newton wordt elk object aangetrokken door elk ander object met een kracht die evenredig is met de massa van de objecten, maar omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand tussen hen. Dit staat bekend als een” omgekeerde kwadraat ” wet. Bijvoorbeeld, als de afstand tussen de zon en de aarde zou worden verdubbeld, zou de gravitationele aantrekking tussen de aarde en de zon worden teruggebracht tot een kwart van zijn huidige sterkte. Newton, met behulp van zijn theorieën en een beetje calculus, was in staat om aan te tonen dat de zwaartekracht tussen de zon en de planeten als ze bewegen door de ruimte betekende dat banen elliptisch moesten zijn.de theorie van Newton is krachtig omdat het zoveel verklaart: de vallende appel, de beweging van de maan rond de aarde, en de beweging van alle planeten—en zelfs kometen—rond de zon. Alles werd nu duidelijk.

een succesvolle theorie voorspelt

Een theorie krijgt nog meer steun als ze nieuwe, waarneembare verschijnselen voorspelt. De Engelse astronoom Edmond Halley gebruikte Newton ‘ s theorie van de zwaartekracht om de baan van de komeet die nu zijn naam draagt te berekenen. Rekening houdend met de aantrekkingskracht van de zon, Jupiter en Saturnus voorspelde hij in 1705 dat de komeet, die voor het laatst was gezien in 1682, in 1758 zou terugkeren. Inderdaad, hij verscheen weer in December van dat jaar. (Helaas leefde Halley niet om het te zien; hij stierf in 1742. De voorspelde terugkeer van Halley ’s komeet, zegt Brown, was” een spectaculaire triomf “van Newton’ s theorie.in het begin van de 20e eeuw zou Newtons zwaartekrachttheorie zelf, zoals natuurkundigen het noemen, worden vervangen door die van Einstein, die bekend staat als de algemene relativiteitstheorie. (Waar Newton zwaartekracht zag als een kracht tussen objecten, beschreef Einstein zwaartekracht als het resultaat van een kromming of kromming van de ruimte zelf. De algemene relativiteitstheorie was in staat om bepaalde fenomenen te verklaren die Newton ‘ s theorie niet kon verklaren, zoals een anomalie in de baan van Mercurius, die langzaam draait—de technische term hiervoor is “precessie”—zodat terwijl elke lus die de planeet rond de zon neemt een ellips is, Mercurius door de jaren heen een spiraalvormig pad volgt dat lijkt op een pad dat je als kind hebt gemaakt op een spirograaf.in belangrijke mate maakte Einsteins theorie ook voorspellingen die verschilden van die van Newton. Een daarvan was het idee dat zwaartekracht sterrenlicht kan buigen, wat spectaculair werd bevestigd tijdens een zonsverduistering in 1919 (en Einstein een nachtelijke beroemdheid maakte). Bijna 100 jaar later, in 2016, bevestigde de ontdekking van gravitatiegolven nog een voorspelling. In de eeuw ertussenin zijn ten minste acht voorspellingen van Einsteins theorie bevestigd.

een theorie kan evolueren, samenvoegen of vervangen

en toch geloven natuurkundigen dat Einsteins theorie op een dag plaats zal maken voor een nieuwe, volledigere theorie. Het lijkt al in strijd te zijn met de kwantummechanica, de theorie die onze beste beschrijving geeft van de subatomaire wereld. De manier waarop de twee theorieën de wereld beschrijven is heel anders. De algemene relativiteit beschrijft het universum als deeltjes met bepaalde posities en snelheden die bewegen als reactie op zwaartekrachtvelden die de hele ruimte doordringen. De kwantummechanica daarentegen geeft alleen de kans dat elk deeltje op een bepaalde locatie op een bepaald moment wordt gevonden.

hoe zou een”unified theory of physics” —een die kwantummechanica en Einsteins zwaartekrachttheorie combineert—eruit zien? Vermoedelijk zou het de verklarende kracht van beide theorieën combineren, waardoor wetenschappers zowel het zeer grote als het zeer kleine in het universum kunnen begrijpen.

een theorie kan ook een feit zijn

laten we even overschakelen van natuurkunde naar biologie. Het is juist vanwege zijn enorme verklarende kracht dat biologen Darwin ’s evolutietheorie—die wetenschappers in staat stelt om zin te maken van gegevens uit genetica, fysiologie, biochemie, paleontologie, biogeografie, en vele andere gebieden—in zo’ n hoge achting houden. Zoals de bioloog Theodosius Dobzhansky het in een invloedrijk essay in 1973 formuleerde: “niets in de biologie is zinvol behalve in het licht van evolutie.”

interessant is dat het woord evolutie kan worden gebruikt om te verwijzen naar zowel een theorie als een feit—iets wat Darwin zelf realiseerde. “Darwin maakte, toen hij het over evolutie had, onderscheid tussen het feit van Evolutie en de evolutietheorie,” zegt Brown. “Het feit van de evolutie was dat soorten, in feite, geëvolueerd-en hij had allerlei bewijs voor dit. De evolutietheorie is een poging om dit evolutionaire proces te verklaren.”De verklaring die Darwin uiteindelijk kwam met het idee van natuurlijke selectie-ruwweg, het idee dat nakomelingen van een organisme zal variëren, en dat die nakomelingen met meer gunstige eigenschappen zal meer kans om te overleven, dus het doorgeven van deze eigenschappen aan de volgende generatie.we hebben vertrouwen in theorieën

veel theorieën zijn rotsvast: wetenschappers hebben net zoveel vertrouwen in de theorieën van relativiteit, kwantummechanica, evolutie, platentektoniek en thermodynamica als ze doen in de bewering dat de aarde rond de zon draait.

andere theorieën, dichter bij het cutting-edge van het huidige onderzoek, zijn voorzichtiger, zoals de snaartheorie (het idee dat alles in het universum bestaat uit kleine, trillende snaren of lussen van pure energie) of de verschillende multiversumtheorieën (het idee dat ons hele universum slechts een van de vele is). Snaartheorie en multiversumtheorieën blijven controversieel vanwege het gebrek aan direct experimenteel bewijs voor hen, en sommige critici beweren dat multiversumtheorieën in principe niet eens testbaar zijn. Ze beweren dat er geen denkbaar experiment is dat men zou kunnen uitvoeren dat het bestaan van deze andere universa zou onthullen.

soms wordt meer dan één theorie naar voren gebracht om observaties van natuurverschijnselen te verklaren; deze theorieën zouden kunnen worden gezegd dat ze “concurreren” met wetenschappers die beoordelen welke de beste verklaring voor de observaties biedt.

” zo zou het idealiter moeten werken, ” zegt Brown. “Gij hebt uw theorie naar voren gebracht, Ik heb mijn theorie naar voren gebracht; wij verzamelen veel bewijs. Uiteindelijk kan een van onze theorieën duidelijk beter blijken te zijn dan de andere, over een bepaalde periode. Op dat moment valt de verliezende theorie weg. En de winnende theorie zal waarschijnlijk gevechten uitvechten in de toekomst.”