Czym jest teoria naukowa?

w swobodnej rozmowie ludzie często używają słowa „teoria”, aby oznaczać „przeczucie” lub „zgadywanie”: jeśli widzisz tego samego mężczyznę jadącego autobusem na północ każdego ranka, możesz teoretyzować, że ma pracę na północnym krańcu miasta; jeśli zapomnisz włożyć chleb do chleba i odkryjesz, że kawałki zostały z niego wyjęte następnego ranka, możesz teoretyzować, że masz myszy w kuchni.

w nauce teoria jest mocniejszym twierdzeniem. Zazwyczaj jest to twierdzenie o związku między różnymi faktami; sposób na zwięzłe wyjaśnienie tego, co zostało zaobserwowane. American Museum of Natural History tak to ujmuje: „teoria jest dobrze uzasadnionym wyjaśnieniem aspektu świata przyrody, który może zawierać prawa, hipotezy i fakty.”

na przykład teoria grawitacji Newtona—znana również jako jego prawo uniwersalnej grawitacji—mówi, że każdy obiekt, gdziekolwiek we wszechświecie, reaguje na siłę grawitacji w ten sam sposób. Dane obserwacyjne z ruchu Księżyca wokół Ziemi, ruchu księżyców Jowisza wokół Jowisza i upadku w dół spadającego młota są zgodne z teorią Newtona. Teoria Newtona dostarcza zwięzłego sposobu podsumowania tego, co wiemy o ruchu tych obiektów-w rzeczy samej, każdego obiektu reagującego na siłę grawitacji.

teoria naukowa „organizuje doświadczenie” – mówi James Robert Brown, filozof nauki z Uniwersytetu w Toronto. „To stawia go w jakiejś systematycznej formie.”

udana teoria wyjaśnia

zdolność teorii do uwzględniania już znanych faktów stanowi solidne podstawy do jej akceptacji. Przyjrzyjmy się bliżej teorii grawitacji Newtona jako przykładowi.

pod koniec XVII wieku wiadomo było, że planety poruszają się po eliptycznych orbitach wokół Słońca, ale nikt nie miał jasnego pojęcia, dlaczego orbity muszą mieć kształt elipsy. Podobnie ruch spadających obiektów był dobrze rozumiany od czasu pracy Galileusza pół wieku wcześniej; włoski naukowiec opracował wzór matematyczny, który opisuje, jak prędkość spadającego obiektu wzrasta w czasie. Wielkim przełomem Newtona było Związanie tego wszystkiego. Według legendy, jego moment wnikliwości nadszedł, gdy wpatrywał się w spadające jabłko w swoim rodzinnym Lincolnshire.

w teorii Newtona każdy obiekt jest przyciągany do każdego innego obiektu siłą, która jest proporcjonalna do mas obiektów, ale odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Jest to znane jako prawo „odwrotnego kwadratu”. Na przykład, gdyby odległość między Słońcem a Ziemią została podwojona, przyciąganie grawitacyjne między Ziemią a Słońcem zostałoby zredukowane do jednej czwartej jego aktualnej siły. Newton, wykorzystując swoje teorie i trochę rachunku różniczkowego, był w stanie pokazać, że siła grawitacji między Słońcem a planetami, gdy poruszają się w przestrzeni, oznacza, że orbity musiały być eliptyczne.

teoria Newtona jest potężna, ponieważ wyjaśnia tak wiele: spadające jabłko, ruch Księżyca wokół Ziemi i ruch wszystkich planet—a nawet komet—wokół Słońca. Teraz wszystko ma sens.

udana teoria przewiduje

teoria zyskuje jeszcze większe poparcie, jeśli przewiduje nowe, obserwowalne zjawiska. Angielski astronom Edmond Halley wykorzystał teorię grawitacji Newtona do obliczenia orbity komety, która teraz nosi jego imię. Biorąc pod uwagę przyciąganie grawitacyjne słońca, Jowisza i Saturna, w 1705 roku przewidział, że kometa, którą ostatnio widziano w 1682 roku, powróci w 1758 roku. Oczywiście, że tak, pojawił się ponownie w grudniu tego roku. (Niestety, Halley nie dożył tego; zmarł w 1742 roku.) Przewidywany powrót komety Halleya, według Browna, był „spektakularnym triumfem” teorii Newtona.

na początku XX wieku teoria grawitacji Newtona sama zostałaby zastąpiona—jak to ujęli fizycy—przez teorię Einsteina, znaną jako ogólna teoria względności. (Gdzie Newton widział grawitację jako siłę działającą między obiektami, Einstein opisał grawitację jako wynik zakrzywienia lub wypaczenia samej przestrzeni.) Ogólna teoria względności była w stanie wyjaśnić pewne zjawiska, których teoria Newtona nie mogła wyjaśnić, takie jak anomalia na orbicie Merkurego, który powoli obraca się—technicznym terminem jest „precesja”—tak, że podczas gdy każda pętla, którą planeta zajmuje wokół Słońca, jest elipsą, przez lata Merkury śledzi spiralną ścieżkę podobną do tej, którą mogłeś zrobić jako dziecko na Spirografie.

co istotne, teoria Einsteina również przewidywania różniły się od Newtona. Jednym z nich był pomysł, że grawitacja może zginać światło gwiazd, co zostało spektakularnie Potwierdzone podczas zaćmienia Słońca w 1919 roku (i uczyniło Einsteina nocną gwiazdą). Prawie 100 lat później, w 2016 roku, odkrycie fal grawitacyjnych potwierdziło kolejną prognozę. W wieku pomiędzy, co najmniej osiem przewidywania teorii Einsteina zostały potwierdzone.

teoria może ewoluować, łączyć się lub zostać zastąpiona

a jednak fizycy wierzą, że teoria Einsteina pewnego dnia ustąpi miejsca nowej, pełniejszej teorii. Już teraz wydaje się to sprzeczne z mechaniką kwantową, teorią, która dostarcza naszego najlepszego opisu świata subatomowego. Sposób, w jaki obie teorie opisują świat, jest zupełnie inny. Ogólna teoria względności opisuje wszechświat jako zawierający cząstki o określonych pozycjach i prędkościach, poruszające się w odpowiedzi na pola grawitacyjne przenikające całą przestrzeń. Mechanika kwantowa natomiast daje tylko prawdopodobieństwo, że każda cząstka znajdzie się w określonym miejscu w określonym czasie.

jak wyglądałaby „ujednolicona teoria fizyki”—taka, która łączy mechanikę kwantową i teorię grawitacji Einsteina? Przypuszczalnie łączyłoby to wyjaśniającą moc obu teorii, pozwalając naukowcom zrozumieć zarówno to, co bardzo duże, jak i to, co bardzo małe we wszechświecie.

teoria może być również faktem

przejdźmy na chwilę z fizyki do biologii. To właśnie ze względu na jej ogromną moc wyjaśniającą biolodzy tak wysoko cenią teorię ewolucji Darwina—która pozwala naukowcom zrozumieć dane z genetyki, fizjologii, biochemii, paleontologii, biogeografii i wielu innych dziedzin. Jak ujął to biolog Theodosius Dobzhansky w wpływowym eseju w 1973 roku: „nic w biologii nie ma sensu, z wyjątkiem światła ewolucji.”

Co ciekawe, słowo ewolucja może być użyte w odniesieniu zarówno do teorii, jak i faktu-coś, co sam Darwin sobie uświadomił. „Darwin, kiedy mówił o ewolucji, odróżniał fakt ewolucji od teorii ewolucji”, mówi Brown. „Fakt ewolucji polegał na tym, że gatunki ewoluowały-a on miał na to wszelkie dowody. Teoria ewolucji jest próbą wyjaśnienia tego procesu ewolucyjnego.”Wyjaśnieniem, które ostatecznie wymyślił Darwin, była idea doboru naturalnego-z grubsza idea, że potomstwo organizmu będzie się różnić i że potomstwo o korzystniejszych cechach będzie bardziej prawdopodobne, aby przetrwać, przekazując te cechy następnemu pokoleniu.

mamy zaufanie do teorii

wiele teorii jest solidnych: naukowcy mają tak samo zaufanie do teorii względności, mechaniki kwantowej, ewolucji, tektoniki płyt i termodynamiki, jak w twierdzeniu, że Ziemia obraca się wokół Słońca.

inne teorie, bliższe najnowszym badaniom, są bardziej wstępne, jak teoria strun (idea, że wszystko we wszechświecie składa się z maleńkich, wibrujących strun lub pętli czystej energii) lub różne teorie wieloświata (idea, że cały nasz wszechświat jest tylko jedną z wielu). Teoria strun i teorie wieloświata pozostają kontrowersyjne z powodu braku bezpośrednich dowodów eksperymentalnych dla nich, a niektórzy krytycy twierdzą, że teorie wieloświata nie są nawet testowalne w zasadzie. Twierdzą, że nie ma żadnego eksperymentu, który mógłby ujawnić istnienie innych wszechświatów.

czasami wysuwa się więcej niż jedną teorię, aby wyjaśnić obserwacje zjawisk naturalnych; można powiedzieć, że teorie te „konkurują”, a naukowcy oceniają, która z nich zapewnia najlepsze wyjaśnienie obserwacji.

„tak powinno najlepiej działać” – mówi Brown. „Ty przedstawiłeś swoją teorię, ja przedstawiłem swoją teorię; gromadzimy wiele dowodów. W końcu jedna z naszych teorii może okazać się lepsza od drugiej, przez jakiś czas. W tym momencie teoria przegranych odpada. A zwycięska teoria prawdopodobnie będzie toczyć bitwy w przyszłości.”