Was ist eine wissenschaftliche Theorie?

In lockeren Gesprächen verwenden die Leute oft das WortTheorieBedeutet „ahnung“ oder „vermutung“: Wenn Sie jeden Morgen denselben Mann mit dem Bus nach Norden fahren sehen, könnten Sie vermuten, dass er einen Job im Norden der Stadt hat; Wenn Sie vergessen, das Brot in den Brotkasten zu legen, und am nächsten Morgen feststellen, dass Stücke herausgenommen wurden, könnten Sie vermuten, 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 prägnante Erklärung für das Beobachtete. 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 einbeziehen kann.'

Newtons Gravitationstheorie zum Beispiel – auch bekannt als sein Gesetz der universellen Gravitation – besagt, dass jedes Objekt überall im Universum auf die gleiche Weise auf die Schwerkraft reagiert. Beobachtungsdaten von der Bewegung des Mondes um die Erde, der Bewegung der Jupitermonde um Jupiter und dem Fall eines fallengelassenen Hammers nach unten stimmen alle mit Newtons Theorie überein. Newtons Theorie bietet also einen kurzen Weg, um zusammenzufassen, was wir über die Bewegung dieser Objekte wissen – in der Tat vonirgendeinObjekt reagiert auf die Schwerkraft.

Eine wissenschaftliche Theorie „organisiert Erfahrung“, sagt James Robert Brown, ein Wissenschaftsphilosoph an der Universität von Toronto, gegenüber Trini Radio. 'Es bringt es in eine Art systematische Form.'

EINE ERFOLGREICHE THEORIE ERKLÄRT

Die Fähigkeit einer Theorie, bereits bekannte Tatsachen zu erklären, bildet eine solide Grundlage für ihre Akzeptanz. Schauen wir uns als Beispiel die Newtonsche Gravitationstheorie genauer an.

Im späten 17. Jahrhundert war bekannt, dass sich die Planeten auf elliptischen Bahnen um die Sonne bewegten, aber niemand hatte eine klare Vorstellung davonWarumdie Bahnen mussten wie Ellipsen geformt sein. In ähnlicher Weise war die Bewegung fallender Objekte seit der Arbeit von Galileo ein halbes Jahrhundert zuvor gut verstanden worden; der italienische Wissenschaftler hatte eine mathematische Formel entwickelt, die beschreibt, wie sich die Geschwindigkeit eines fallenden Objekts mit der Zeit erhöht. Newtons großer Durchbruch bestand darin, all dies miteinander zu verbinden. Der Legende nach kam sein Moment der Einsicht, als er in seiner Heimat Lincolnshire auf einen fallenden Apfel starrte.

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 des Abstands zwischen ihnen. Dies ist als Gesetz des „inversen Quadrats“ bekannt. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen Sonne und Erde verdoppelt würde, würde die Anziehungskraft zwischen Erde und Sonne auf ein Viertel ihrer derzeitigen Stärke reduziert. Newton konnte mit seinen Theorien und ein wenig Berechnungen zeigen, dass die Gravitationskraft zwischen der Sonne und den Planeten, wenn sie sich durch den Weltraum bewegen, dazu führte, dass 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.Alledavon machte jetzt Sinn.

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EINE ERFOLGREICHE THEORIE VORHERSAGEN

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

Im frühen 20. Jahrhundert wurde Newtons Gravitationstheorie selbst – wie Physiker es nannten – durch Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie ersetzt. (Wo Newton die Schwerkraft als eine zwischen Objekten wirkende Kraft vorstellte, beschrieb Einstein die Schwerkraft als das Ergebnis einer Krümmung oder Krümmung des Raums selbst.) Die allgemeine Relativitätstheorie konnte bestimmte Phänomene erklären, die Newtons Theorie nicht erklären konnte, wie z die Umlaufbahn von Merkur, die sich langsam dreht – der Fachausdruck dafür ist „Präzession“ – so dass jede Schleife, die der Planet um die Sonne nimmt, eine Ellipse ist, Merkur im Laufe der Jahre jedoch eine Spiralbahn ähnlich der von Ihnen gemachten nachzeichnet als Kind auf einem Spirographen.

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Bezeichnenderweise machte Einsteins Theorie auch Vorhersagen, die sich von Newtons unterschieden. Eine davon war die Idee, dass die Schwerkraft Sternenlicht biegen 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. Sie scheint bereits im Widerspruch zur Quantenmechanik zu stehen, 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 enthaltend, 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 „vereinheitlichte Physiktheorie“ aussehen – eine, die Quantenmechanik und Einsteins Gravitationstheorie kombiniert? Vermutlich würde es die Erklärungskraft beider Theorien vereinen 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 ihrer enormen Erklärungskraft schätzen Biologen Darwins Evolutionstheorie – die es Wissenschaftlern ermöglicht, Daten aus der Genetik, Physiologie, Biochemie, Paläontologie, Biogeographie und vielen anderen Gebieten zu verstehen – so hoch. Wie der Biologe Theodosius Dobzhansky 1973 in einem einflussreichen Essay formulierte: 'Nichts in der Biologie macht Sinn, außer im Licht der Evolution.'

Interessanterweise ist das WortEvolutionkann verwendet werden, um sich sowohl auf eine Theorie zu beziehenundeine Tatsache – etwas, das Darwin selbst erkannte. „Darwin unterschied, als er über Evolution sprach, zwischen denTatsacheder Evolution und dieTheorieder Evolution“, sagt Brown. 'DasTatsacheder Evolution bestand darin, dass sich Arten tatsächlich entwickelt hatten [d.h. im Laufe der Zeit verändert] – und er hatte alle möglichen Beweise dafür. DasTheorieder Evolution ist ein Versuch, diesen evolutionären Prozess zu erklären.' Die Erklärung, auf die Darwin schließlich kam, war die Idee der natürlichen Selektion – grob gesagt die Idee, dass die Nachkommen eines Organismus variieren und dass Nachkommen mit günstigeren Eigenschaften mit größerer Wahrscheinlichkeit überleben und diese Eigenschaften somit an die nächste Generation weitergeben .

WIR HABEN VERTRAUEN IN THEORIEN

Viele Theorien sind felsenfest: Wissenschaftler vertrauen auf Relativitätstheorien, Quantenmechanik, Evolution, Plattentektonik und Thermodynamik ebenso wie auf die Aussage, dass sich die Erde um die Sonne dreht.

Andere Theorien, die näher am neuesten Stand 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 Multiversum-Theorien (die Idee dass unser gesamtes Universum nur eines von vielen ist). Stringtheorie und Multiversum-Theorien bleiben wegen des Fehlens direkter experimenteller Beweise umstritten, und einige Kritiker behaupten, dass Multiversum-Theorien nicht einmal im Prinzip überprüfbar sind. Sie argumentieren, dass es kein denkbares Experiment gibt, das man durchführen könnte, das die Existenz dieser anderen Universen aufdecken würde.

Manchmal wird mehr als eine Theorie aufgestellt, um Beobachtungen von Naturphänomenen zu erklären; Man könnte sagen, dass diese Theorien „konkurrieren“, wobei die Wissenschaftler beurteilen, welche die beste Erklärung für die Beobachtungen liefert.

„So sollte es im Idealfall funktionieren“, sagt Brown. „Sie haben Ihre Theorie aufgestellt, ich habe meine Theorie aufgestellt; Wir sammeln viele Beweise. Irgendwann könnte sich eine unserer Theorien im Laufe der Zeit als offensichtlich besser als die andere erweisen. An diesem Punkt fällt die Verlierertheorie irgendwie weg. Und die Siegertheorie wird wahrscheinlich in Zukunft Schlachten schlagen.'