Научна теория: определение, проверка и ключови примери в науката

В ежедневната реч думата "теория" често означава просто "най-добро предположение". В съвременната наука научната теория има по-строго значение: това е добре подкрепена, логически последователна и многократно проверявана хипотеза, която обяснява множество наблюдения и експерименти и дава възможност за точни предсказания. Важни характеристики на научната теория са проверимостта (възможността да бъде подложена на опити), фалсифицируемостта (теорията трябва да позволява откриване на възможни противоречия), предсказателната ѝ сила и способността ѝ да обединява различни факти в една обяснителна рамка. Ако бъде открит случай, в който цялата научна теория или част от нея е невярна, тогава тази теория се променя или се отхвърля в полза на по-добра, която обяснява както старите, така и новите наблюдения.

Пример за научна теория, която е претърпяла много промени, е теорията за зародишите на болестите. В древността хората са вярвали, че болестите са причинени от боговете, от проклятия или от неправилно поведение. Микроорганизмите са били непознати, тъй като те са твърде малки, за да се видят. С изобретяването на микроскопа микробите са открити и е предложена теорията за болестите, основана на микробите. Благодарение на теорията за зародишите на болестите много болести вече могат да бъдат лекувани, предотвратявани и изкоренявани чрез санитарни мерки, ваксинация и антибиотици. Въпреки това теорията за зародишите трябваше да бъде променена, тъй като някои болести не се причиняват от зародиши. Грипът и скорбутът са примери за болести, които не се причиняват от бактерии, а от вируси или лошо хранене. Освен това има болести, причинени от наследствени фактори, автоимунни процеси или от токсини, които не са свързани с микроорганизми. Учените промениха теорията за болестите, причинени от микроби, така че днес бихме я формулирали като "Някои болести се причиняват от микроби", разширявайки рамката и добавяйки допълнителни механизми и изключения.

За да бъде научна теория, тя трябва да бъде проверявана многократно от различни учени на различни места и всеки път да преминава успешно теста. Теорията трябва да бъде изложена точно, понякога с помощта на математиката, която прави предсказанията количественни и проверими. И трябва да се вписва във всички останали научни теории; това означава, че новите теории обикновено не противоречат на вече потвърдени факти, освен ако новите факти не изискват ревизия. Науката има много клонове. Физика, химия, биология, геология и астрономия са някои от основните клонове на науката. Научната теория в един от клоновете на науката трябва да е съвместима с наблюденията и моделите в останалите клонове. Например атомната теория на материята, според която цялата материя е съставена от атоми, е открита с помощта на физиката, но химикалите, използвани в химията, живите тъкани, използвани в биологията, скалите, изучавани в геологията, и планетите, изучавани в астрономията, са съставени от атоми. Атомната теория на материята е валидна за всички области на науката и дава конкретни предсказания, които могат да бъдат проверени експериментално.

Понякога учените изказват погрешна теория. Откриването на изключение от дадена научна теория е важно събитие, а един учен може да стане известен с откриването на изключение от правило. Айнщайн става известен със своята теория на относителността, която открива изключение от законите за движение на Исак Нютон при много големи скорости и силни гравитационни полета. Теорията на Нютон, която е била приета в продължение на стотици години, е трябвало да бъде разширена и коригирана — не напълно отхвърлена — за да обхване нови наблюдения. Това показва, че научните теории са едновременно стабилни (когато са добре подкрепени) и отворени за промяна при нови данни.

Как се проверява научна теория?

• Наблюдение и формулиране на въпрос: учените събират данни и забелязват закономерности.
• Формиране на хипотеза: идейно обяснение, което дава тестируеми предсказания.
• Планиране и провеждане на експерименти или наблюдения: да се провери дали предсказанията са верни.
• Повторяемост: други изследователи трябва да могат да повторят експериментите и да получат същите резултати.
• Анализ и математическо моделиране: количествената обработка помага за прецизност и за сравнение между теория и данни.
• Публикация и рецензия (peer review): резултатите се оценяват от научната общност.
• Консолидация на знанията: теорията трябва да обяснява и да се съгласува с вече установени факти или да предлага по-добро обяснение за тях.

Разлика между научен закон и теория

Често хората бъркат "закон" и "теория". Научният закон обикновено описва наблюдавана закономерност (например закона на Нютон за гравитацията в класическата му форма), докато теорията обяснява защо тази закономерност съществува и свързва множество закони и факти в по-широк контекст. Теорията е по-широка и дава обяснителни механизми; законът е по-кратко описание на повтаряща се връзка в природата.

Ключови примери на теории в съвременната наука

• Теория на еволюцията — обяснява изменението на видовете чрез естествен подбор и други механизми; подкрепена от фосили, генетика и сравняване на видове.
• Клетъчна теория — всички живи организми са съставени от клетки; клетката е основната структурна и функционална единица на живота.
• Атомна теория — материята е съставена от атоми и подчастици; обяснява химическите свойства и взаимодействия.
• Теория на относителността (специална и обща) — променя нашето разбиране за пространство, време и гравитация; дава точни предсказания при високи скорости и силни гравитационни полета.
• Квантова теория — описва поведението на материята и енергията на най-малки мащаби; основа на съвременната физика на частици и електрониката.
• Теория на континенталния дрейф и тектонските плочи — обяснява движението на земните плочи и свързаните с това земетресения, вулканизъм и образуване на планини.
• Теория за Големия взрив — космологична теория за началото и развитие на Вселената, подкрепена от космическия фон и разширението на Вселената.
• Теории за климата и парников ефект — обясняват дългосрочните промени в климата и ролята на парниковите газове, показа силни емпирични основи и модели.

Ето списък на някои от основните теории на съвременната наука. Тези теории са били проверявани хиляди пъти и не е открито изключение:

• Теория на еволюцията
• Клетъчна теория
• Атомна теория на материята
• Теория на относителността
• Квантова механика/квантова теория
• Платетектонска теория
• Теория за Големия взрив
• Теория за зародишите на болестите (модифицирана форма)
• Закони и теории в термодинамиката

Научната теория не е "крайна истина", а най-доброто обяснение, подкрепено от наличните доказателства. Тя е мощен инструмент за разбиране на природата и основа за технологии и практики, като същевременно остава отворена за ревизия при появата на нови наблюдения или по-добри обяснения.

Търсене по буква