Научная теория

Для более широкого освещения этой темы см. Теорию .

Научная теория — это объяснение какого-либо аспекта мира природы и вселенной , которое может быть (или , тем более , было) неоднократно проверено и подтверждено в соответствии с научным методом , с использованием принятых протоколов наблюдения . , измерения и оценки результатов . Там, где это возможно, теории проверяются в контролируемых условиях в эксперименте . В обстоятельствах, не поддающихся экспериментальной проверке, теории оцениваются с помощью принципов абдуктивного рассуждения . Устоявшиеся научные теории выдержали строгую проверку и воплощают научные знания .

Научная теория отличается от научного факта или научного закона тем, что теория стремится объяснить «почему» или «как», тогда как факт — это простое, базовое наблюдение, а закон — это эмпирическое описание взаимосвязи между фактами и/или «как». другие законы. Например, закон гравитации Ньютона — это математическое уравнение, которое можно использовать для предсказания притяжения между телами, но это не теория, объясняющая, как работает гравитация . Стивен Джей Гулд писал, что «...факты и теории - это разные вещи, а не ступени в иерархии возрастающей уверенности. Факты - это мировые данные. Теории - это структуры идей, которые объясняют и интерпретируют факты».

Значение термина «научная теория» (часто для краткости сокращаемого до «теория» ), используемого в научных дисциплинах, значительно отличается от общепринятого использования слова «теория» . В повседневной речи теория может подразумевать объяснение, представляющее собой ничем не обоснованное и умозрительное предположение . тогда как в научном контексте это чаще всего относится к объяснению, которое уже было проверено и широко признано действительным.

Сила научной теории связана с разнообразием явлений, которые она может объяснить, и ее простотой. По мере сбора дополнительных научных данных научная теория может быть изменена и в конечном итоге отвергнута, если ее невозможно привести в соответствие с новыми открытиями; в таких обстоятельствах требуется более точная теория. Некоторые теории настолько укоренились, что вряд ли когда-либо будут фундаментально изменены (например, такие научные теории, как эволюция , гелиоцентрическая теория , клеточная теория , теория тектоники плит , микробная теория болезней и т. д.). В определенных случаях научная теория или научный закон, которые не могут охватить все данные, все же могут быть полезны (из-за своей простоты) в качестве приближения при определенных условиях. Примером могут служить законы движения Ньютона , которые являются высокоточным приближением специальной теории относительности при скоростях, малых по сравнению со скоростью света .

Научные теории поддаются проверке и позволяют сделать проверяемые предсказания . Они описывают причины определенного природного явления и используются для объяснения и прогнозирования аспектов физической вселенной или конкретных областей исследований (например, электричества, химии и астрономии). Как и другие формы научного познания, научные теории бывают как дедуктивными , так и индуктивными . стремление к предсказательной и объяснительной силе . Ученые используют теории для расширения научных знаний, а также для содействия достижениям в области технологий и медицины .

Типы

Альберт Эйнштейн описал два разных типа научных теорий: «конструктивные теории» и «принципиальные теории». Конструктивные теории — это конструктивные модели явлений: например, кинетическая теория . Принципиальные теории представляют собой эмпирические обобщения, одним из таких примеров являются законы движения Ньютона .

Характеристики

Основные критерии

Для того, чтобы любая теория была принята в большинстве академических кругов, обычно существует один простой критерий. Важным критерием является то, что теория должна быть наблюдаемой и воспроизводимой. Вышеупомянутый критерий необходим для предотвращения мошенничества и увековечивания самой науки.

Тектонические плиты мира были нанесены на карту во второй половине 20 века. Теория тектоники плит успешно объясняет многочисленные наблюдения о Земле, включая распределение землетрясений, гор, континентов и океанов.

Определяющей характеристикой всех научных знаний, включая теории, является способность делать фальсифицируемые или проверяемые предсказания . Актуальность и специфика этих предсказаний определяют, насколько потенциально полезна теория. Потенциальная теория, которая не делает никаких наблюдаемых предсказаний, вообще не является научной теорией. Прогнозы, недостаточно конкретные для проверки, также бесполезны. В обоих случаях термин «теория» неприменим.

Совокупность описаний знаний можно назвать теорией, если она удовлетворяет следующим критериям:

• Он делает фальсифицируемые предсказания с постоянной точностью в широкой области научных исследований (например, в механике ).
• Это хорошо подтверждается многими независимыми доказательствами, а не одним фундаментом.
• Она согласуется с ранее существовавшими экспериментальными результатами и, по крайней мере, так же точна в своих предсказаниях, как и любые ранее существовавшие теории.

Эти качества, безусловно, справедливы для таких устоявшихся теорий, как специальная и общая теория относительности , квантовая механика , тектоника плит , современный эволюционный синтез и т. д.

Другие критерии

Кроме того, большинство ученых предпочитают работать с теорией, отвечающей следующим качествам:

• Его можно подвергать незначительным изменениям для учета новых данных, которые не совсем ему подходят по мере их обнаружения, тем самым со временем увеличивая его прогностические возможности.
• Это одно из самых скудных объяснений, экономное в использовании предлагаемых сущностей или объяснительных шагов, согласно бритве Оккама . Это связано с тем, что для каждого принятого объяснения явления может существовать чрезвычайно большое, возможно, даже непостижимое количество возможных и более сложных альтернатив, поскольку всегда можно обременить неудавшиеся объяснения специальными гипотезами , чтобы предотвратить их фальсификацию; следовательно, более простые теории предпочтительнее более сложных, поскольку их легче проверить .

Определения научных организаций

Национальная академия наук США определяет научные теории следующим образом:

Формальное научное определение теории сильно отличается от повседневного значения этого слова. Это относится к всестороннему объяснению какого-либо аспекта природы, подкрепленному огромным количеством доказательств. Многие научные теории настолько прочно укоренились, что никакие новые данные вряд ли существенно их изменят. Например, никакие новые данные не продемонстрируют, что Земля не вращается вокруг Солнца (гелиоцентрическая теория), или что живые существа не состоят из клеток (клеточная теория), что материя не состоит из атомов, или что поверхность Земля не разделена на твердые плиты, которые переместились в геологических временных масштабах (теория тектоники плит)… Одним из наиболее полезных свойств научных теорий является то, что их можно использовать для предсказаний природных событий или явлений, которые еще не произошли. наблюдалось.

От Американской ассоциации содействия развитию науки :

Научная теория — это хорошо обоснованное объяснение какого-либо аспекта мира природы, основанное на совокупности фактов, неоднократно подтвержденных наблюдениями и экспериментами. Такие теории, подкрепленные фактами, являются не «догадками», а надежными описаниями реального мира. Теория биологической эволюции — это больше, чем «просто теория». Это такое же фактическое объяснение Вселенной, как атомная теория материи или микробная теория болезней. Наше понимание гравитации все еще находится в стадии разработки. Но явление гравитации, как и эволюция, является общепризнанным фактом.

Обратите внимание, что термин «теория» не подходит для описания непроверенных, но сложных гипотез или даже научных моделей.

Формирование

Первое наблюдение клеток Робертом Гуком с помощью раннего микроскопа . Это привело к развитию клеточной теории .

Научный метод включает в себя предложение и проверку гипотез путем получения прогнозов на основе гипотез о результатах будущих экспериментов, а затем проведения этих экспериментов, чтобы увидеть, верны ли прогнозы. Это дает доказательства либо за, либо против гипотезы. Когда в определенной области исследований собрано достаточно экспериментальных результатов, ученые могут предложить объяснительную структуру, учитывающую как можно больше из них. Это объяснение также проверяется, и если оно соответствует необходимым критериям (см. выше), то объяснение становится теорией. Это может занять много лет, поскольку собрать достаточные доказательства может быть сложно или сложно. Как только все критерии будут выполнены, это будет широко принято учеными (см. научный консенсус ) как наилучшее доступное объяснение по крайней мере некоторых явлений. Он будет предсказывать явления, которые предыдущие теории не могли объяснить или не могли точно предсказать, и будет проводиться множество повторных испытаний. Сила доказательств оценивается научным сообществом, и наиболее важные эксперименты будут повторены несколькими независимыми группами.

Теории не обязательно должны быть абсолютно точными, чтобы быть научно полезными. Например, предсказания классической механики , как известно, неточны в релятивистской сфере, но они почти точно верны при сравнительно низких скоростях, наблюдаемых в обычном человеческом опыте. В химии существует множество кислотно-основных теорий, дающих весьма разные объяснения основной природы кислотных и основных соединений, но они очень полезны для предсказания их химического поведения. Как и все знания в науке, ни одна теория не может быть полностью достоверной , поскольку возможно, что будущие эксперименты могут противоречить предсказаниям теории. Однако теории, поддерживаемые научным консенсусом, имеют самый высокий уровень достоверности среди всех научных знаний; например, что все объекты подвержены гравитации или что жизнь на Земле произошла от общего предка .

Принятие теории не требует проверки всех ее основных предсказаний, если они уже подтверждены достаточно убедительными доказательствами. Например, некоторые тесты могут быть невыполнимыми или технически сложными. В результате теории могут делать предсказания, которые еще не были подтверждены или оказались неверными; в этом случае предсказанные результаты можно неформально описать термином «теоретические». Эти предсказания можно проверить позже, и если они окажутся неверными, это может привести к пересмотру или отклонению теории. Как говорит Фейнман:

Неважно, насколько красива ваша теория, неважно, насколько вы умны. Если оно не согласуется с экспериментом, то оно неверно.

Модификация и улучшение

Если наблюдаются результаты эксперимента, противоречащие предсказаниям теории, ученые сначала оценивают, был ли план эксперимента правильным, и если да, то подтверждают результаты путем независимого повторения . Затем начинается поиск потенциальных улучшений теории. Решения могут потребовать незначительных или серьезных изменений в теории или вообще не требовать их, если удовлетворительное объяснение найдено в рамках существующей структуры теории. Со временем, по мере того как последовательные модификации дополняют друг друга, теории постоянно совершенствуются и достигается более высокая точность прогнозирования. Поскольку каждая новая версия теории (или совершенно новая теория) должна иметь большую предсказательную и объяснительную силу, чем предыдущая, научные знания со временем становятся более точными.

Если модификации теории или другие объяснения кажутся недостаточными для объяснения новых результатов, может потребоваться новая теория. Поскольку научные знания обычно долговечны, это происходит гораздо реже, чем модификация. Более того, до тех пор, пока такая теория не будет предложена и принята, предыдущая теория будет сохраняться. Это потому, что это по-прежнему лучшее доступное объяснение многих других явлений, что подтверждается его предсказательной силой в других контекстах. Например, с 1859 года было известно, что наблюдаемая прецессия перигелия Меркурия нарушает механику Ньютона: но теория оставалась лучшим доступным объяснением до тех пор, пока теория относительности не была подтверждена достаточными доказательствами. Кроме того, хотя новые теории могут предлагаться одним человеком или многими, цикл модификаций в конечном итоге включает вклад многих разных ученых.

После изменений принятая теория будет объяснять больше явлений и иметь большую предсказательную силу (в противном случае изменения не были бы приняты); это новое объяснение затем будет открыто для дальнейшей замены или модификации. Если теория не требует модификации, несмотря на неоднократные проверки, это означает, что теория очень точна. Это также означает, что принятые теории продолжают накапливать доказательства с течением времени, и продолжительность времени, в течение которого теория (или любой из ее принципов) остается принятой, часто указывает на силу подтверждающих ее доказательств.

Объединение

В квантовой механике атома электроны занимают орбитали вокруг ядра . На этом изображении показаны орбитали атома водорода ( s , p , d ) на трех разных энергетических уровнях (1, 2, 3). Более яркие области соответствуют более высокой плотности вероятности.

В некоторых случаях две или более теории могут быть заменены одной теорией, которая объясняет предыдущие теории как приближения или частные случаи, аналогично тому, как теория является объединяющим объяснением многих подтвержденных гипотез; это называется унификацией теорий. Например, теперь известно, что электричество и магнетизм являются двумя аспектами одного и того же явления, называемого электромагнетизмом .

Когда предсказания различных теорий противоречат друг другу, это также разрешается либо путем дополнительных доказательств, либо путем объединения. Например, физические теории XIX века предполагали, что Солнце не могло гореть достаточно долго, чтобы допустить определенные геологические изменения, а также эволюцию жизни. Проблема была решена открытием ядерного синтеза , основного источника энергии Солнца. Противоречия также можно объяснить как результат теорий, аппроксимирующих более фундаментальные (непротиворечивые) явления. Например, атомная теория является приближением квантовой механики . Современные теории описывают три отдельных фундаментальных явления , приближениями которых являются все остальные теории; потенциальное объединение их иногда называют Теорией Всего .

Пример: теория относительности

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал принцип специальной теории относительности , который вскоре стал теорией. Специальная теория относительности предсказала согласованность ньютоновского принципа инвариантности Галилея , также называемого теорией относительности Галилея , с электромагнитным полем. Исключив из специальной теории относительности светоносный эфир , Эйнштейн заявил, что замедление времени и сокращение длины, измеренные у объекта, находящегося в относительном движении, являются инерционными , то есть объект демонстрирует постоянную скорость , которая является скоростью , зависящей от направления , при измерении его наблюдателем. Тем самым он продублировал преобразование Лоренца и сокращение Лоренца , которые, как предполагалось, разрешали экспериментальные загадки и были включены в электродинамическую теорию как динамические следствия свойств эфира. Элегантная теория, специальная теория относительности, дала свои последствия. такие как эквивалентность массы и энергии, преобразующихся друг в друга , и разрешение парадокса, заключающегося в том, что возбуждение электромагнитного поля можно рассматривать в одной системе отсчета как электричество, а в другой — как магнетизм.

Эйнштейн стремился распространить принцип инвариантности на все системы отсчета, как инерциальные, так и ускоряющиеся. Отвергая ньютоновскую гравитацию — центральную силу, действующую мгновенно на расстоянии , — Эйнштейн предположил существование гравитационного поля. Эйнштейна В 1907 году принцип эквивалентности подразумевал, что свободное падение в однородном гравитационном поле эквивалентно движению по инерции . Распространив эффекты специальной теории относительности на три измерения, общая теория относительности расширила сокращение длины до сжатия пространства , представляя четырехмерное пространство-время как гравитационное поле, которое изменяется геометрически и задает траектории всех локальных объектов. Даже безмассовая энергия оказывает гравитационное движение на местные объекты, «искривляя» геометрическую «поверхность» четырехмерного пространства-времени. Тем не менее, если энергия не огромна, ее релятивистские эффекты сжатия пространства и замедления времени незначительны при простом предсказании движения. Хотя общая теория относительности воспринимается как более объяснительная теория посредством научного реализма , теория Ньютона остается успешной как просто теория прогнозирования посредством инструментализма . Для расчета траекторий инженеры и НАСА до сих пор используют уравнения Ньютона, с которыми проще работать.

Теории и законы

Смотрите также: Научный закон

И научные законы, и научные теории создаются на основе научного метода посредством формирования и проверки гипотез и могут предсказывать поведение мира природы. Оба варианта обычно хорошо подтверждаются наблюдениями и/или экспериментальными данными. Однако научные законы представляют собой описательные описания того, как природа будет вести себя при определенных условиях. Научные теории шире по своему охвату и дают всеобъемлющие объяснения того, как устроена природа и почему она проявляет определенные характеристики. Теории подкрепляются данными из множества различных источников и могут содержать один или несколько законов.

Распространенным заблуждением является то, что научные теории — это рудиментарные идеи, которые в конечном итоге превратятся в научные законы, когда будет накоплено достаточно данных и доказательств. Теория не превращается в научный закон по мере накопления новых или лучших доказательств. Теория всегда останется теорией; закон всегда останется законом. И теории, и законы потенциально могут быть фальсифицированы противоречащими доказательствами.

Теории и законы также отличаются от гипотез . В отличие от гипотез, теории и законы можно просто назвать научными фактами . Однако в науке теории отличаются от фактов, даже если они хорошо подкреплены. Например, эволюция — это одновременно теория и факт .

О теориях

Теории как аксиомы

Логические позитивисты думали о научных теориях как о утверждениях, сформулированных на формальном языке . Логика первого порядка является примером формального языка. Логические позитивисты предполагали аналогичный научный язык. Помимо научных теорий, язык также включал предложения наблюдения («солнце восходит на востоке»), определения и математические утверждения. Явления, объясняемые теориями, если их нельзя было непосредственно наблюдать органами чувств (например, атомы и радиоволны ), трактовались как теоретические концепции. С этой точки зрения теории функционируют как аксиомы : предсказанные наблюдения выводятся из теорий так же, как теоремы выводятся в евклидовой геометрии . Однако затем предсказания проверяются на соответствие реальности, чтобы проверить предсказания, и «аксиомы» могут быть пересмотрены как прямой результат.

фраза « принятый взгляд на теории Для описания этого подхода используется ». С ним обычно ассоциируются термины « лингвистический » (поскольку теории являются компонентами языка) и « синтаксический » (поскольку в языке существуют правила о том, как символы могут быть связаны друг с другом). Проблемы с точным определением этого вида языка, например, являются ли объекты, видимые в микроскоп, наблюдаемыми, или являются ли они теоретическими объектами, привели к фактическому упадку логического позитивизма в 1970-х годах.

Теории как модели

Основная статья: Научная модель

Семантический взгляд на теории , который отождествляет научные теории с моделями, а не с предложениями , заменил общепринятый взгляд на доминирующую позицию в формулировке теории в философии науки. Модель — это логическая структура, предназначенная для представления реальности («модель реальности»), аналогично тому, как карта — это графическая модель, представляющая территорию города или страны.

Прецессия перигелия . Меркурия ) (утрировано Отклонение положения Меркурия от предсказания Ньютона составляет около 43 угловых секунд (около двух третей 1/60 градуса ) в столетие.

В этом подходе теории представляют собой особую категорию моделей, отвечающих необходимым критериям (см. выше ). Для описания модели можно использовать язык; однако теория — это модель (или совокупность подобных моделей), а не описание модели. Например, модель Солнечной системы может состоять из абстрактных объектов, представляющих Солнце и планеты. Эти объекты имеют связанные свойства, например, положения, скорости и массы. Параметры модели, например, закон гравитации Ньютона, определяют, как положения и скорости изменяются со временем. Затем эту модель можно протестировать, чтобы увидеть, точно ли она предсказывает будущие наблюдения; астрономы могут проверить, что положения объектов модели с течением времени соответствуют фактическим положениям планет. Для большинства планет предсказания ньютоновской модели точны; для Меркурия модель общей теории относительности . это немного неточно, и вместо него необходимо использовать

Слово « семантический » относится к тому, как модель представляет реальный мир. Репрезентация (буквально «перепрезентация») описывает отдельные аспекты явления или способ взаимодействия множества явлений. Например, масштабная модель дома или солнечной системы явно не является реальным домом или реальной солнечной системой; аспекты реального дома или реальной солнечной системы, представленные в масштабной модели, лишь в определенных ограниченных отношениях представляют реальную сущность. Масштабная модель дома — это не дом; но тому, кто хочет узнать о домах, подобно ученому, который хочет понять реальность, может быть достаточно достаточно подробной масштабной модели.

Различия между теорией и моделью

Основная статья: Концептуальная модель

Несколько комментаторов заявили, что отличительной характеристикой теорий является то, что они носят не только описательный, но и объяснительный характер, в то время как модели носят только описательный характер (хотя все же предсказывают в более ограниченном смысле). Философ Стивен Пеппер также проводил различие между теориями и моделями и сказал в 1948 году, что общие модели и теории основаны на «корневой» метафоре, которая ограничивает то, как ученые теоретизируют и моделируют явление и, таким образом, приходят к проверяемым гипотезам.

Инженерная практика проводит различие между «математическими моделями» и «физическими моделями»; Стоимость изготовления физической модели можно свести к минимуму, если сначала создать математическую модель с использованием пакета компьютерного программного обеспечения, такого как инструмент автоматизированного проектирования . Каждая составная часть моделируется, и допуски на изготовление указаны. Чертеж в разобранном виде используется для отображения последовательности изготовления. Пакеты моделирования для отображения каждого узла позволяют вращать и увеличивать детали с реалистичной детализацией. Пакеты программного обеспечения для создания спецификации материалов для строительства позволяют субподрядчикам специализироваться на процессах сборки, что распределяет затраты на производство оборудования между несколькими клиентами. См.: Компьютерное проектирование , Компьютерное производство и 3D-печать.

Предположения при формулировании теорий

Предположение (или аксиома ) — это утверждение, которое принимается без доказательств. Например, предположения могут использоваться в качестве предпосылок в логическом аргументе. Айзек Азимов описал предположения следующим образом:

...неверно говорить о предположении как об истинном или ложном, поскольку нет способа доказать, что оно истинно (если бы оно существовало, оно уже не было бы предположением). Предположения лучше рассматривать как полезные или бесполезные, в зависимости от того, соответствуют ли действительности выводы, сделанные из них... Поскольку нам нужно с чего-то начинать, у нас должны быть предположения, но давайте, по крайней мере, пусть у нас будет как можно меньше предположений.

Для всех эмпирических утверждений необходимы определенные предположения (например, предположение о существовании реальности ). Однако теории обычно не делают предположений в общепринятом смысле (утверждений, принимаемых без доказательств). Хотя предположения часто включаются при формировании новых теорий, они либо подтверждаются доказательствами (например, из ранее существовавших теорий), либо доказательства создаются в ходе проверки теории. Это может быть так же просто, как наблюдение за тем, что теория делает точные предсказания, что является свидетельством того, что любые предположения, сделанные вначале, верны или приблизительно верны в проверяемых условиях.

Обычные предположения без доказательств могут использоваться, если теория предназначена для применения только тогда, когда предположение верно (или приблизительно верно). Например, специальная теория относительности предполагает инерциальную систему отсчета . Теория делает точные предсказания, когда предположение верно, и не делает точных предсказаний, когда предположение неверно. Такие предположения часто являются причиной того, что на смену старым теориям приходят новые ( общая теория относительности работает также и в неинерциальных системах отсчета).

Термин «предположение» на самом деле шире, чем его стандартное использование, с этимологической точки зрения. В Оксфордском словаре английского языка (OED) и в онлайн-Викисловаре его латинский источник указан как sumere («принять, взять себе, усыновить, узурпировать»), что представляет собой соединение ad- («к, к, в») и sumere ( взять). Корень, со смещенными значениями, сохранился в итальянском takere и испанском sumir . Первое значение слова «предполагать» в OED — это «принять (себе), получить, принять, усыновить». Этот термин первоначально использовался в религиозном контексте, например, «подняться на небеса», особенно «принятие Девы Марии на небеса с телом, сохраненным от тления» (1297 г. н. э.), но он также использовался просто для обозначения « принять в ассоциацию» или «принять в товарищество». Более того, другие значения предположения включали (i) «наделение себя (атрибутом)», (ii) «предпринимать» (особенно в законе), (iii) «принимать себе только по видимости, притворяться обладателем» и (iv) «предполагать, что вещь существует» (все значения из статьи OED «предполагать»; статья OED для «предположения» почти идеально симметрична по смыслу). Таким образом, «предположение» означает другие ассоциации, помимо современного стандартного значения «то, что предполагается или считается само собой разумеющимся; предположение, постулат» (только 11-е из 12 значений «предположения» и 10-е из 11 значений «предполагать»). ").

Описания

От философов науки

Карл Поппер описал характеристики научной теории следующим образом:

1. Легко получить подтверждения или проверки почти для каждой теории — если мы ищем подтверждения.
2. Подтверждения следует учитывать только в том случае, если они являются результатом рискованных прогнозов; иными словами, если бы, не будучи просвещенными рассматриваемой теорией, мы могли бы ожидать события, несовместимого с теорией, — события, которое опровергло бы теорию.
3. Каждая «хорошая» научная теория является запретом: она запрещает определенные вещи происходить. Чем больше теория запрещает, тем она лучше.
4. Теория, которую невозможно опровергнуть никаким мыслимым событием, является ненаучной. Неопровержимость — не достоинство теории (как часто думают), а порок.
5. Любая настоящая проверка теории — это попытка ее фальсифицировать или опровергнуть. Тестируемость — это фальсифицируемость; но существуют степени проверяемости: некоторые теории более проверяемы и более подвержены опровержению, чем другие; они как бы идут на больший риск.
6. Подтверждающие доказательства не должны учитываться, за исключением случаев, когда они являются результатом подлинной проверки теории; а это значит, что это можно представить как серьезную, но безуспешную попытку фальсификации теории. (Я сейчас говорю в таких случаях о «подтверждающих доказательствах».)
7. Некоторые по-настоящему проверяемые теории, если они признаны ложными, все равно могут быть поддержаны их поклонниками — например, путем введения post hoc (постфактум) некоторой вспомогательной гипотезы или предположения или путем переосмысления теории post hoc таким образом, чтобы она ускользнула от реальности. опровержение. Такая процедура всегда возможна, но она спасает теорию от опровержения только ценой уничтожения или, по крайней мере, понижения ее научного статуса путем подделки доказательств . Соблазн вмешаться можно свести к минимуму, потратив время на то, чтобы записать протокол тестирования, прежде чем приступить к научной работе.

Поппер резюмировал эти утверждения, заявив, что центральным критерием научного статуса теории является ее «фальсифицируемость, или опровержимость, или проверяемость». Вторя этому, Стивен Хокинг утверждает: «Теория является хорошей теорией, если она удовлетворяет двум требованиям: она должна точно описывать большой класс наблюдений на основе модели, которая содержит лишь несколько произвольных элементов, и она должна делать определенные предсказания относительно результаты будущих наблюдений». Он также обсуждает «недоказуемый, но фальсифицируемый» характер теорий, который является необходимым следствием индуктивной логики, и что «вы можете опровергнуть теорию, найдя хотя бы одно наблюдение, которое не согласуется с предсказаниями теории».

Однако некоторые философы и историки науки утверждали, что определение теории Поппером как набора фальсифицируемых утверждений неверно. потому что, как Филип Китчер указал , если бы кто-то придерживался строго попперовского взгляда на «теорию», наблюдения Урана, когда он был впервые открыт в 1781 году, «фальсифицировали» бы небесную механику Ньютона. Скорее, люди предположили, что на орбиту Урана повлияла другая планета — и это предсказание действительно в конечном итоге подтвердилось.

Китчер согласен с Поппером: «Несомненно, есть что-то правильное в идее о том, что наука может добиться успеха только в том случае, если она может потерпеть неудачу». Он также говорит, что научные теории включают в себя утверждения, которые невозможно фальсифицировать, и что хорошие теории также должны быть творческими. Он настаивает на том, что мы рассматриваем научные теории как «тщательно продуманную совокупность утверждений», некоторые из которых не фальсифицируемы, а другие — те, которые он называет «вспомогательными гипотезами», — фальсифицируемы.

По мнению Китчера, хорошие научные теории должны иметь три особенности:

1. Единство: «Наука должна быть единой... Хорошие теории состоят только из одной стратегии решения проблем или небольшого семейства стратегий решения проблем, которые можно применять к широкому кругу проблем».
2. Плодовитость : «Великая научная теория, подобная теории Ньютона, открывает новые области исследований... Поскольку теория предлагает новый взгляд на мир, она может побудить нас задать новые вопросы и, таким образом, приступить к новым и плодотворные направления исследований... Как правило, процветающая наука несовершенна. В любое время она поднимает больше вопросов, чем может ответить в настоящее время. Но незавершенность не является пороком. Хорошая теория должна быть продуктивной; она должна поднимать новые вопросы и предполагать, что на эти вопросы можно ответить, не отказываясь от своих стратегий решения проблем».
3. Вспомогательные гипотезы, которые можно проверить независимо: «Вспомогательная гипотеза должна быть проверяемой независимо от конкретной проблемы, для решения которой она вводится, независимо от теории, которую она призвана спасти». (Например, доказательства существования Нептуна не зависят от аномалий на орбите Урана.)

Как и другие определения теорий, включая определение Поппера, Китчер ясно дает понять, что теория должна включать утверждения, имеющие последствия для наблюдений. Но, как и наблюдение нарушений орбиты Урана, фальсификация является лишь одним из возможных последствий наблюдения. Производство новых гипотез — еще один возможный и не менее важный результат.

Аналогии и метафоры

Понятие научной теории также описывалось с использованием аналогий и метафор. Например, логический эмпирик Карл Густав Гемпель сравнил структуру научной теории со «сложной пространственной сетью»:

Ее члены представлены узлами, а соединяющие последние нити соответствуют частично определениям, частично — фундаментальным и производным гипотезам, включенным в теорию. Вся система как бы плавает над плоскостью наблюдения и привязана к ней правилами интерпретации. Их можно рассматривать как струны, которые не являются частью сети, но связывают определенные точки последней с конкретными местами в плоскости наблюдения. Благодаря этим интерпретативным связям сеть может функционировать как научная теория: от определенных данных наблюдений мы можем подняться по интерпретирующей цепочке к некоторой точке теоретической сети, а затем перейти через определения и гипотезы к другим точкам. из которого другая интерпретирующая струна позволяет спуститься на плоскость наблюдения.

Майкл Поланьи провел аналогию между теорией и картой:

Теория – это нечто иное, чем я сам. Ее можно изложить на бумаге как систему правил, и чем более истинной является теория, тем полнее ее можно изложить в таких терминах. Математическая теория достигает в этом отношении высшего совершенства. Но даже географическая карта полностью воплощает в себе набор строгих правил, позволяющих ориентироваться в неизведанном регионе. Действительно, всю теорию можно рассматривать как своего рода карту, простирающуюся на пространство и время.

Научную теорию можно также рассматривать как книгу, в которой собрана фундаментальная информация о мире, книгу, которую необходимо исследовать, писать и распространять. В 1623 году Галилео Галилей писал:

Философия [то есть физика] написана в этой великой книге — я имею в виду вселенную — которая постоянно открыта нашему взору, но ее невозможно понять, если сначала не научиться понимать язык и интерпретировать символы, которыми она написана. Она написана на языке математики, и ее знаками являются треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человеку невозможно понять ни одного ее слова; без них человек блуждает в темном лабиринте.

Книжную метафору можно также применить в следующем отрывке современного философа науки Яна Хакинга :

Я сам предпочитаю аргентинское фэнтези. Бог не писал Книгу Природы, какую представляли древние европейцы. Он написал борхесовскую библиотеку, каждая книга которой максимально кратка, но каждая книга несовместима друг с другом. Ни одна книга не является лишней. В каждой книге есть какая-то доступная человеку часть Природы, такая, что эта книга, и никакая другая, делает возможным понимание, предсказание и влияние на то, что происходит ... Лейбниц сказал, что Бог выбрал мир, в котором максимально увеличивается разнообразие явлений, в то время как выбирая простейшие законы. Именно так: но лучший способ максимизировать явления и иметь простейшие законы — это иметь законы, несовместимые друг с другом, каждый из которых применим к тому или иному, но ни один не применим ко всем.

По физике

В физике термин «теория» обычно используется для обозначения математической структуры, основанной на небольшом наборе основных постулатов (обычно симметрий — таких как равенство положений в пространстве или во времени, или идентичность электронов и т. д.), — которая способна создавать экспериментальные предсказания для данной категории физических систем. Хорошим примером является классический электромагнетизм , который включает результаты, полученные на основе калибровочной симметрии (иногда называемой калибровочной инвариантностью ) в форме нескольких уравнений, называемых уравнениями Максвелла . Конкретные математические аспекты классической теории электромагнетизма называются «законами электромагнетизма», что отражает уровень последовательных и воспроизводимых доказательств, подтверждающих их. В рамках теории электромагнетизма в целом существует множество гипотез о том, как электромагнетизм применим к конкретным ситуациям. Многие из этих гипотез уже считаются адекватно проверенными, а новые постоянно создаются и, возможно, еще не проверены. Примером последнего может быть сила реакции излучения . По состоянию на 2009 год его влияние на периодическое движение зарядов можно обнаружить в синхротронах , но только как усредненные по времени эффекты. Некоторые исследователи сейчас рассматривают возможность экспериментов, которые могли бы наблюдать эти эффекты на мгновенном уровне (т.е. не усредняясь по времени).

Примеры

Обратите внимание, что во многих областях исследований нет конкретных названных теорий, например, в биологии развития . Научные знания за пределами названной теории по-прежнему могут иметь высокий уровень достоверности, в зависимости от количества подтверждающих их доказательств. Также обратите внимание, что, поскольку теории опираются на данные из многих областей, категоризация не является абсолютной.

• Биология : клеточная теория , теория эволюции ( современный эволюционный синтез ), абиогенез , микробная теория , теория наследования частиц , теория двойного наследования , теория Юнга-Гельмгольца , противостоящий процесс , теория сцепления-напряжения.
• Химия : теория столкновений , кинетическая теория газов , теория Льюиса , молекулярная теория , теория молекулярных орбиталей , теория переходного состояния , теория валентных связей.
• Физика : теория атома , теория большого взрыва , теория динамо , теория возмущений , теория относительности (преемница классической механики ), квантовая теория поля.
• Науки о Земле : Теория изменения климата (из климатологии ), теория тектоники плит (из геологии ), теории происхождения Луны , теории иллюзии Луны
• Астрономия : Самогравитирующая система , Звездная эволюция , модель солнечной туманности , звездный нуклеосинтез.

Дальнейшее чтение

• Селлерс, Пирс (17 августа 2016 г.). «Космос, изменение климата и реальный смысл теории» . Житель Нью-Йорка . Проверено 18 августа 2016 г. Эссе британско-американского метеоролога и астронавта НАСА об антропогенном глобальном потеплении и «теории».