Was ist eine wissenschaftliche Theorie?

In ungezwungenen Gesprächen verwenden die Leute oft das Wort Theorie, um „Vermutung“ oder „Vermutung“ zu bedeuten: Wenn Sie jeden Morgen denselben Mann im Bus in Richtung Norden fahren sehen, könnten Sie theoretisieren, dass er einen Job am nördlichen Ende der Stadt hat; Wenn Sie vergessen, das Brot in den Brotkasten zu legen und am nächsten Morgen feststellen, dass Brocken herausgenommen wurden, könnten Sie theoretisieren, dass Sie Mäuse in Ihrer Küche haben.

In der Wissenschaft ist eine Theorie eine stärkere Behauptung. Typischerweise ist es eine Behauptung über die Beziehung zwischen verschiedenen Fakten; eine Möglichkeit, eine kurze Erklärung für das zu geben, was beobachtet wurde. Das American Museum of Natural History drückt es so aus: „Eine Theorie ist eine gut begründete Erklärung eines Aspekts der natürlichen Welt, der Gesetze, Hypothesen und Fakten enthalten kann.“Zum Beispiel sagt Newtons Gravitationstheorie — auch bekannt als sein Gesetz der universellen Gravitation —, dass jedes Objekt überall im Universum auf die gleiche Weise auf die Schwerkraft reagiert. Beobachtungsdaten aus der Bewegung des Mondes um die Erde, die Bewegung der Jupitermonde um Jupiter und der Fall eines fallengelassenen Hammers nach unten stimmen alle mit Newtons Theorie überein. Newtons Theorie bietet also eine prägnante Möglichkeit, das zusammenzufassen, was wir über die Bewegung dieser Objekte wissen — in der Tat über jedes Objekt, das auf die Schwerkraft reagiert.Eine wissenschaftliche Theorie „organisiert Erfahrung“, sagt James Robert Brown, ein Wissenschaftsphilosoph an der Universität von Toronto, gegenüber Mental Floss. „Es bringt es in eine Art systematische Form.“

Eine ERFOLGREICHE THEORIE ERKLÄRT

Die Fähigkeit einer Theorie, bereits bekannte Fakten zu berücksichtigen, legt eine solide Grundlage für ihre Akzeptanz. Schauen wir uns Newtons Gravitationstheorie als Beispiel genauer an.Im späten 17.Jahrhundert war bekannt, dass sich die Planeten in elliptischen Bahnen um die Sonne bewegten, aber niemand hatte eine klare Vorstellung davon, warum die Bahnen wie Ellipsen geformt sein mussten. Ähnlich, Die Bewegung fallender Gegenstände war seit der Arbeit von Galileo ein halbes Jahrhundert zuvor gut verstanden worden; der italienische Wissenschaftler hatte eine mathematische Formel ausgearbeitet, die beschreibt, wie die Geschwindigkeit eines fallenden Objekts im Laufe der Zeit zunimmt. Newtons großer Durchbruch war es, all dies miteinander zu verbinden. Der Legende nach kam sein Moment der Einsicht, als er in seiner Heimat Lincolnshire auf einen fallenden Apfel blickte.In Newtons Theorie wird jedes Objekt von jedem anderen Objekt mit einer Kraft angezogen, die proportional zu den Massen der Objekte ist, aber umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen. Dies wird als „inverses Quadrat“ -Gesetz bezeichnet. Wenn zum Beispiel der Abstand zwischen der Sonne und der Erde verdoppelt würde, würde die Anziehungskraft zwischen der Erde und der Sonne auf ein Viertel ihrer aktuellen Stärke reduziert. Newton konnte mit seinen Theorien und ein wenig Kalkül zeigen, dass die Gravitationskraft zwischen der Sonne und den Planeten, die sich durch den Weltraum bewegen, bedeutete, dass die Umlaufbahnen elliptisch sein mussten.Newtons Theorie ist mächtig, weil sie so viel erklärt: den fallenden Apfel, die Bewegung des Mondes um die Erde und die Bewegung aller Planeten — und sogar Kometen — um die Sonne. Alles machte jetzt Sinn.

Eine ERFOLGREICHE THEORIE SAGT VORAUS

Eine Theorie gewinnt noch mehr Unterstützung, wenn sie neue, beobachtbare Phänomene vorhersagt. Der englische Astronom Edmond Halley verwendete Newtons Gravitationstheorie, um die Umlaufbahn des Kometen zu berechnen, der jetzt seinen Namen trägt. Unter Berücksichtigung der Anziehungskraft von Sonne, Jupiter und Saturn sagte er 1705 voraus, dass der Komet, der zuletzt 1682 gesehen worden war, 1758 zurückkehren würde. Sicher genug, es tat es und tauchte im Dezember dieses Jahres wieder auf. (Leider hat Halley es nicht mehr erlebt; er starb 1742. Die vorhergesagte Rückkehr des Halleyschen Kometen, sagt Brown, war „ein spektakulärer Triumph“ der Newtonschen Theorie.

Im frühen 20.Jahrhundert würde Newtons Gravitationstheorie selbst — wie Physiker es ausdrückten — von Einsteins, der allgemeinen Relativitätstheorie, abgelöst werden. (Wo Newton sich die Schwerkraft als eine Kraft vorstellte, die zwischen Objekten wirkt, beschrieb Einstein die Schwerkraft als das Ergebnis einer Krümmung oder Verwerfung des Raumes selbst.) Die allgemeine Relativitätstheorie war in der Lage, bestimmte Phänomene zu erklären, die Newtons Theorie nicht erklären konnte, wie eine Anomalie in der Umlaufbahn des Merkur, die sich langsam dreht — der Fachbegriff dafür ist „Präzession“ —, so dass, während jede Schleife, die der Planet um die Sonne nimmt, eine Ellipse ist, Merkur im Laufe der Jahre einen spiralförmigen Pfad nachzeichnet, ähnlich dem, den Sie vielleicht als Kind auf einem Spirographen gemacht haben.

Bezeichnenderweise machte Einsteins Theorie auch Vorhersagen, die sich von Newtons unterschieden. Eine davon war die Idee, dass die Schwerkraft das Sternenlicht verbiegen kann, was 1919 während einer Sonnenfinsternis spektakulär bestätigt wurde (und Einstein über Nacht zu einer Berühmtheit machte). Fast 100 Jahre später, im Jahr 2016, bestätigte die Entdeckung von Gravitationswellen eine weitere Vorhersage. Im Jahrhundert dazwischen wurden mindestens acht Vorhersagen von Einsteins Theorie bestätigt.

EINE THEORIE KANN SICH ENTWICKELN, VERSCHMELZEN ODER ERSETZT WERDEN

Und doch glauben Physiker, dass Einsteins Theorie eines Tages einer neuen, vollständigeren Theorie weichen wird. Es scheint bereits mit der Quantenmechanik zu kollidieren, der Theorie, die unsere beste Beschreibung der subatomaren Welt liefert. Die Art und Weise, wie die beiden Theorien die Welt beschreiben, ist sehr unterschiedlich. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt das Universum als Teilchen mit bestimmten Positionen und Geschwindigkeiten, die sich als Reaktion auf Gravitationsfelder bewegen, die den gesamten Raum durchdringen. Die Quantenmechanik hingegen liefert nur die Wahrscheinlichkeit, dass jedes Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort gefunden wird.Wie würde eine „einheitliche Theorie der Physik“ aussehen — eine, die Quantenmechanik und Einsteins Gravitationstheorie kombiniert? Vermutlich würde es die Erklärungskraft beider Theorien kombinieren und es Wissenschaftlern ermöglichen, sowohl das sehr Große als auch das sehr Kleine im Universum zu verstehen.

Eine THEORIE KANN AUCH EINE TATSACHE SEIN

Lassen Sie uns für einen Moment von der Physik zur Biologie wechseln. Gerade wegen seiner großen Erklärungskraft schätzen Biologen Darwins Evolutionstheorie — die es Wissenschaftlern ermöglicht, Daten aus Genetik, Physiologie, Biochemie, Paläontologie, Biogeographie und vielen anderen Bereichen zu verstehen – so sehr. Wie der Biologe Theodosius Dobzhansky es 1973 in einem einflussreichen Aufsatz ausdrückte: „Nichts in der Biologie macht Sinn, außer im Lichte der Evolution.“Interessanterweise kann das Wort Evolution verwendet werden, um sowohl eine Theorie als auch eine Tatsache zu bezeichnen — etwas, das Darwin selbst erkannte. „Darwin, als er über Evolution sprach, unterschied zwischen der Tatsache der Evolution und der Evolutionstheorie“, sagt Brown. „Die Tatsache der Evolution war, dass sich die Arten tatsächlich entwickelt hatten – und er hatte alle möglichen Beweise dafür. Die Evolutionstheorie ist ein Versuch, diesen evolutionären Prozess zu erklären.“ Die Erklärung, die Darwin schließlich fand, war die Idee der natürlichen Auslese – grob gesagt die Idee, dass die Nachkommen eines Organismus variieren und dass Nachkommen mit günstigeren Merkmalen eher überleben und diese Merkmale an die nächste Generation weitergeben.

WIR HABEN VERTRAUEN IN THEORIEN

Viele Theorien sind felsenfest: Wissenschaftler haben genauso viel Vertrauen in die Relativitätstheorien, Quantenmechanik, Evolution, Plattentektonik und Thermodynamik wie in die Aussage, dass sich die Erde um die Sonne dreht.Andere Theorien, die näher an der Spitze der aktuellen Forschung liegen, sind eher vorläufig, wie die Stringtheorie (die Idee, dass alles im Universum aus winzigen, vibrierenden Saiten oder Schleifen reiner Energie besteht) oder die verschiedenen Multiversumstheorien (die Idee, dass unser gesamtes Universum nur eine von vielen ist). Die Stringtheorie und die Multiversumtheorien bleiben umstritten, da es keine direkten experimentellen Beweise dafür gibt, und einige Kritiker behaupten, dass Multiversumtheorien im Prinzip nicht einmal testbar sind. Sie argumentieren, dass es kein denkbares Experiment gibt, das man durchführen könnte, um die Existenz dieser anderen Universen zu enthüllen.Manchmal wird mehr als eine Theorie vorgebracht, um Beobachtungen von Naturphänomenen zu erklären; Man könnte sagen, dass diese Theorien „konkurrieren“, wobei Wissenschaftler beurteilen, welche die beste Erklärung für die Beobachtungen liefert.

„So sollte es idealerweise funktionieren“, sagt Brown. „Sie stellen Ihre Theorie vor, ich stelle meine Theorie vor; Wir sammeln viele Beweise. Schließlich könnte sich eine unserer Theorien über einen bestimmten Zeitraum als offensichtlich besser erweisen als die andere. An diesem Punkt fällt die Verlierertheorie irgendwie weg. Und die gewinnende Theorie wird wahrscheinlich in Zukunft Schlachten schlagen.“