Ce este o teorie științifică?

într-o conversație întâmplătoare, oamenii folosesc adesea cuvântul teorie pentru a însemna „bănuială” sau „ghici”: dacă vezi același om călărind autobuzul spre nord în fiecare dimineață, s-ar putea să teoretizezi că are un loc de muncă în capătul nordic al orașului; dacă uiți să pui pâinea în cutia de pâine și descoperi că bucăți au fost scoase din ea a doua zi dimineață, s-ar putea să teoretizezi că ai șoareci în bucătărie.

în știință, o teorie este o afirmație mai puternică. De obicei, este o afirmație despre relația dintre diferite fapte; o modalitate de a oferi o explicație concisă pentru ceea ce a fost observat. Muzeul American de Istorie Naturală spune astfel: „o teorie este o explicație bine fundamentată a unui aspect al lumii naturale care poate încorpora legi, ipoteze și fapte.”

de exemplu, teoria gravitației lui Newton—cunoscută și sub numele de legea gravitației universale—spune că fiecare obiect, oriunde în univers, răspunde la forța gravitației în același mod. Datele observaționale din mișcarea Lunii în jurul Pământului, mișcarea lunilor lui Jupiter în jurul lui Jupiter și căderea în jos a unui ciocan căzut sunt toate în concordanță cu teoria lui Newton. Deci teoria lui Newton oferă un mod concis de a rezuma ceea ce știm despre mișcarea acestor obiecte—într-adevăr, a oricărui obiect care răspunde forței gravitaționale.

o teorie științifică „organizează experiența”, spune James Robert Brown, filosof al științei la Universitatea din Toronto, pentru Mental Floss. „O pune într-un fel de formă sistematică.”

o teorie de succes explică

capacitatea unei teorii de a explica fapte deja cunoscute pune o bază solidă pentru acceptarea ei. Să aruncăm o privire mai atentă asupra teoriei gravitației lui Newton ca exemplu.

la sfârșitul secolului al 17-lea, se știa că planetele se mișcau în orbite eliptice în jurul Soarelui, dar nimeni nu avea o idee clară despre motivul pentru care orbitele trebuiau să fie în formă de elipse. În mod similar, mișcarea obiectelor care se încadrează fusese bine înțeleasă de la opera lui Galileo cu o jumătate de secol mai devreme; omul de știință Italian a elaborat o formulă matematică care descrie modul în care viteza unui obiect care se încadrează crește în timp. Marea descoperire a lui Newton a fost de a lega toate acestea împreună. Conform legendei, momentul său de înțelegere a venit în timp ce privea un măr care cădea în Lincolnshire natal.în teoria lui Newton, fiecare obiect este atras de orice alt obiect cu o forță proporțională cu masele obiectelor, dar invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Aceasta este cunoscută sub numele de lege „pătrat invers”. De exemplu, dacă distanța dintre Soare și Pământ s-ar dubla, atracția gravitațională dintre Pământ și soare ar fi redusă la un sfert din puterea sa actuală. Newton, folosind teoriile sale și un pic de calcul, a fost capabil să arate că forța gravitațională dintre Soare și planete în timp ce se deplasează prin spațiu însemna că orbitele trebuiau să fie eliptice.teoria lui Newton este puternică pentru că explică atât de multe: mărul care cade, mișcarea Lunii în jurul Pământului și mișcarea tuturor planetelor—și chiar a cometelor—în jurul Soarelui. Totul acum avea sens.

o teorie de succes prezice

o teorie câștigă și mai mult sprijin dacă prezice fenomene noi, observabile. Astronomul englez Edmond Halley a folosit teoria gravitației lui Newton pentru a calcula orbita cometei care îi poartă acum numele. Luând în considerare atracția gravitațională a soarelui, Jupiter și Saturn, în 1705, el a prezis că cometa, care fusese văzută ultima dată în 1682, se va întoarce în 1758. Destul de sigur, a făcut-o, reapărând în decembrie a acelui an. (Din păcate, Halley nu a trăit să o vadă; a murit în 1742. Revenirea prezisă a cometei Halley, spune Brown, a fost „un triumf spectaculos” al teoriei lui Newton.

la începutul secolului 20, teoria gravitației lui Newton ar fi ea însăși înlocuită—așa cum spun fizicienii—de cea a lui Einstein, cunoscută sub numele de relativitate generală. (Unde Newton a imaginat gravitația ca o forță care acționează între obiecte, Einstein a descris gravitația ca rezultat al curbării sau deformării spațiului însuși. Relativitatea generală a fost capabilă să explice anumite fenomene pe care teoria lui Newton nu le—a putut explica, cum ar fi o anomalie pe orbita lui Mercur, care se rotește încet—termenul tehnic pentru aceasta este „precesiune” – astfel încât, în timp ce fiecare buclă pe care planeta o ia în jurul Soarelui este o elipsă, de-a lungul anilor Mercur trasează o cale spirală similară cu cea pe care ați făcut-o în copilărie pe un spirograf.

în mod semnificativ, teoria lui Einstein a făcut, de asemenea, predicții care diferă de cea a lui Newton. Una a fost ideea că gravitația poate îndoi lumina stelelor, ceea ce a fost confirmat spectaculos în timpul unei eclipse solare din 1919 (și a făcut din Einstein o celebritate peste noapte). Aproape 100 de ani mai târziu, în 2016, descoperirea undelor gravitaționale a confirmat încă o predicție. În secolul între, cel puțin opt predicții ale teoriei lui Einstein au fost confirmate.

o teorie poate evolua, fuziona sau fi înlocuită

și totuși fizicienii cred că teoria lui Einstein va da într-o zi loc unei noi teorii mai complete. Pare deja să intre în conflict cu mecanica cuantică, teoria care oferă cea mai bună descriere a lumii subatomice. Modul în care cele două teorii descriu lumea este foarte diferit. Relativitatea generală descrie universul ca conținând particule cu poziții și viteze definite, care se mișcă ca răspuns la câmpurile gravitaționale care pătrund în tot spațiul. Mecanica cuantică, în schimb, produce doar probabilitatea ca fiecare particulă să fie găsită într-o anumită locație la un moment dat.

cum ar arăta o „teorie unificată a fizicii”—una care combină mecanica cuantică și teoria gravitației a lui Einstein? Probabil că ar combina puterea explicativă a ambelor teorii, permițând oamenilor de știință să înțeleagă atât pe cei foarte mari, cât și pe cei foarte mici din univers.

o teorie poate fi, de asemenea, un fapt

să trecem de la fizică la biologie pentru o clipă. Tocmai datorită vastei sale puteri explicative, biologii susțin teoria evoluției lui Darwin—care permite oamenilor de știință să înțeleagă datele din genetică, fiziologie, biochimie, paleontologie, biogeografie și multe alte domenii-cu o stimă atât de mare. După cum a spus biologul Theodosius Dobzhansky într-un eseu influent din 1973, „nimic în biologie nu are sens decât în lumina evoluției.”

interesant, cuvântul evoluție poate fi folosit pentru a se referi atât la o teorie, cât și la un fapt—ceva ce Darwin însuși a realizat. „Darwin, când vorbea despre evoluție, distinge între faptul evoluției și teoria evoluției”, spune Brown. „Faptul evoluției a fost că speciile au evoluat, de fapt, —și el a avut tot felul de dovezi pentru acest lucru. Teoria evoluției este o încercare de a explica acest proces evolutiv.”Explicația cu care Darwin a venit în cele din urmă a fost ideea selecției naturale—aproximativ, ideea că descendenții unui organism vor varia și că acei descendenți cu trăsături mai favorabile vor avea mai multe șanse să supraviețuiască, transmitând astfel aceste trăsături generației următoare.

avem încredere în teorii

multe teorii sunt solide: oamenii de știință au la fel de multă încredere în teoriile relativității, mecanicii cuantice, evoluției, tectonicii plăcilor și termodinamicii ca și în afirmația că Pământul se învârte în jurul Soarelui.

alte teorii, mai aproape de vârful cercetării actuale, sunt mai tentative, cum ar fi teoria corzilor (ideea că totul în univers este alcătuit din corzi mici, vibrante sau bucle de energie pură) sau diferitele teorii multiverse (ideea că întregul nostru univers este doar unul dintre multe). Teoria corzilor și teoriile multiversului rămân controversate din cauza lipsei dovezilor experimentale directe pentru ele, iar unii critici susțin că teoriile multiversului nici măcar nu sunt testabile în principiu. Ei susțin că nu există nici un experiment imaginabil pe care cineva l-ar putea efectua care să dezvăluie existența acestor alte universuri.

uneori sunt prezentate mai multe teorii pentru a explica observațiile fenomenelor naturale; se poate spune că aceste teorii „concurează”, oamenii de știință judecând care dintre ele oferă cea mai bună explicație pentru observații.

„așa ar trebui să funcționeze în mod ideal”, spune Brown. „Tu ți-ai prezentat teoria, eu mi-am prezentat teoria; acumulăm o mulțime de dovezi. În cele din urmă, una dintre teoriile noastre s-ar putea dovedi evident mai bună decât cealaltă, într-o anumită perioadă de timp. În acel moment, teoria pierderii cade. Iar teoria câștigătoare va duce probabil bătălii în viitor.”