Vad är en vetenskaplig teori?
i avslappnad konversation använder folk ofta ordet teori för att betyda ”hunch” eller ”guess”: om du ser samma man som kör den norrgående bussen varje morgon, kan du teoretisera att han har ett jobb i norra änden av staden; om du glömmer att lägga brödet i brödlådan och upptäcker att bitar har tagits ut ur det nästa morgon, kan du teoretisera att du har möss i ditt kök.
i vetenskapen är en teori ett starkare påstående. Vanligtvis är det ett påstående om förhållandet mellan olika fakta; ett sätt att ge en kortfattad förklaring till vad som observerats. American Museum of Natural History uttrycker det så här: ”en teori är en väl underbyggd förklaring av en aspekt av den naturliga världen som kan införliva lagar, hypoteser och fakta.”till exempel säger Newtons gravitationsteori—även känd som hans lag om universell gravitation—att varje objekt, var som helst i universum, svarar på tyngdkraften på samma sätt. Observationsdata från månens rörelse runt jorden, rörelsen av Jupiters månar runt Jupiter och det nedåtgående fallet av en tappad hammare är alla förenliga med Newtons teori. Så Newtons teori ger ett kortfattat sätt att sammanfatta vad vi vet om rörelsen av dessa objekt—faktiskt av något objekt som svarar på tyngdkraften.
en vetenskaplig teori ”organiserar erfarenhet”, berättar James Robert Brown, en vetenskapsfilosof vid University of Toronto, Mental Floss. ”Det sätter det i någon form av systematisk form.”
en framgångsrik teori förklarar
en teoris förmåga att redogöra för redan kända fakta lägger en solid grund för dess acceptans. Låt oss ta en närmare titt på Newtons gravitationsteori som ett exempel.
i slutet av 17-talet var planeterna kända för att röra sig i elliptiska banor runt solen, men ingen hade en klar uppfattning om varför banorna måste formas som ellipser. På samma sätt hade rörelsen av fallande föremål varit väl förstådd sedan Galileos arbete ett halvt sekel tidigare; den italienska forskaren hade utarbetat en matematisk formel som beskriver hur hastigheten på ett fallande objekt ökar över tiden. Newtons stora genombrott var att knyta allt detta ihop. Enligt legenden kom hans ögonblick av insikt när han tittade på ett fallande äpple i sitt hemland Lincolnshire.
i Newtons teori lockas varje objekt till varje annat objekt med en kraft som är proportionell mot objektens massor, men omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem. Detta är känt som en ”inverse square” lag. Till exempel, om avståndet mellan solen och jorden fördubblades, skulle gravitationsattraktionen mellan jorden och solen skäras till en fjärdedel av sin nuvarande styrka. Newton, med hjälp av sina teorier och lite kalkyl, kunde visa att gravitationskraften mellan solen och planeterna när de rör sig genom rymden innebar att banor måste vara elliptiska.Newtons teori är kraftfull eftersom den förklarar så mycket: det fallande äpplet, månens rörelse runt jorden och rörelsen för alla planeter—och till och med kometer—runt solen. Allt var nu meningsfullt.
en framgångsrik teori förutsäger
en teori får ännu mer stöd om den förutsäger nya observerbara fenomen. Den engelska astronomen Edmond Halley använde Newtons gravitationsteori för att beräkna omloppet för kometen som nu bär hans namn. Med tanke på gravitationen av solen, Jupiter och Saturnus, 1705, förutspådde han att kometen, som senast sågs 1682, skulle återvända 1758. Visst nog, det gjorde det, återkommer i December samma år. (Tyvärr levde Halley inte för att se det; han dog 1742.) Den förutspådda återkomsten av Halleys komet, säger Brown, var” en spektakulär triumf ” av Newtons teori.
i början av 20—talet skulle Newtons gravitationsteori själv ersättas—som fysiker uttryckte det-av Einsteins, känd som generell relativitet. (Där Newton föreställde tyngdkraften som en kraft som verkar mellan objekt, beskrev Einstein tyngdkraften som ett resultat av en böjning eller vridning av rymden själv.) Allmän relativitet kunde förklara vissa fenomen som Newtons teori inte kunde redogöra för, till exempel en anomali i Mercury—banan, som långsamt roterar—den tekniska termen för detta är ”precession” – så att medan varje slinga planeten tar runt solen är en ellips, spårar Mercury genom åren en spiralväg som liknar en du kanske har gjort som barn på en Spirograf.
betydligt gjorde Einsteins teori också förutsägelser som skilde sig från Newtons. En var tanken att tyngdkraften kan böja starlight, vilket spektakulärt bekräftades under en solförmörkelse 1919 (och gjorde Einstein till en kändis över natten). Nästan 100 år senare, 2016, bekräftade upptäckten av gravitationsvågor ännu en förutsägelse. Under århundradet mellan, minst åtta förutsägelser om Einsteins teori har bekräftats.
en teori kan utvecklas, sammanfoga eller ersättas
och ändå tror fysiker att Einsteins teori en dag kommer att ge plats för en ny, mer fullständig teori. Det verkar redan strida mot kvantmekanik, teorin som ger vår bästa beskrivning av den subatomära världen. Hur de två teorierna beskriver världen är väldigt annorlunda. Allmän relativitet beskriver universum som innehållande partiklar med bestämda positioner och hastigheter, som rör sig som svar på gravitationsfält som genomtränger hela rymden. Kvantmekanik ger däremot bara sannolikheten för att varje partikel kommer att hittas på en viss plats vid en viss tidpunkt.
vad skulle en ”enhetlig fysikteori” —en som kombinerar kvantmekanik och Einsteins gravitationsteori-se ut? Förmodligen skulle det kombinera den förklarande kraften i båda teorierna, så att forskare kan förstå både det mycket stora och det mycket lilla i universum.
en teori kan också vara ett faktum
Låt oss flytta från fysik till biologi för ett ögonblick. Det är just på grund av dess stora förklarande kraft som biologer håller Darwins evolutionsteori—som gör det möjligt för forskare att förstå data från genetik, fysiologi, biokemi, paleontologi, biogeografi och många andra områden—i så hög uppskattning. Som biologen Theodosius Dobzhansky uttryckte det i en inflytelserik uppsats 1973, ”ingenting i biologi är vettigt utom i ljuset av evolutionen.”intressant nog kan ordet evolution användas för att hänvisa till både en teori och ett faktum—något Darwin själv insåg. ”Darwin, när han pratade om evolution, skilde sig mellan evolutionens faktum och evolutionsteorin”, säger Brown. ”Evolutionens faktum var att arter faktiskt hade utvecklats —och han hade alla slags bevis för detta. Evolutionsteorin är ett försök att förklara denna evolutionära process.”Förklaringen som Darwin så småningom kom fram till var tanken på naturligt urval—ungefär tanken att en organisms avkomma kommer att variera, och att de avkommor med mer gynnsamma egenskaper kommer att vara mer benägna att överleva och därmed överföra dessa egenskaper till nästa generation.
vi har förtroende för teorier
många teorier är bergfasta: forskare har lika mycket förtroende för relativitetsteorierna, kvantmekaniken, evolutionen, plattektoniken och termodynamiken som de gör i uttalandet att jorden kretsar kring solen.
andra teorier, närmare framkanten av aktuell forskning, är mer preliminära, som strängteori (tanken att allt i universum består av små, vibrerande strängar eller slingor av ren energi) eller de olika multiverseteorierna (tanken att hela vårt universum bara är en av många). Strängteori och Multiverse teorier förblir kontroversiella på grund av bristen på direkta experimentella bevis för dem, och vissa kritiker hävdar att Multiverse teorier inte ens kan testas i princip. De hävdar att det inte finns något tänkbart experiment som man kan utföra som skulle avslöja existensen av dessa andra universum.ibland läggs mer än en teori fram för att förklara observationer av naturfenomen; dessa teorier kan sägas ”konkurrera” med forskare som bedömer vilken som ger den bästa förklaringen till observationerna.
”så ska det helst fungera”, säger Brown. ”Du lägger fram din teori, jag lägger fram min teori; vi samlar mycket bevis. Så småningom kan en av våra teorier visa sig vara bättre än den andra, under en viss tid. Vid den tiden faller den förlorande teorin bort. Och den vinnande teorin kommer förmodligen att slåss strider i framtiden.”