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科学理論とは何ですか?

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何気ない会話でよく使う言葉理論'勘' または '推測' を意味する: 毎朝、北行きのバスに同じ男が乗っているのを見た場合、その男が市の北端で仕事をしているのではないかと推測するかもしれません。パンをパン箱に入れるのを忘れて、翌朝、パンの塊が取り出されていることに気付いた場合、あなたのキッチンにはネズミがいると考えるかもしれません。

科学では、理論はより強力な主張です。通常、これはさまざまな事実間の関係についての主張です。観察されたことについて簡潔な説明を提供する方法。アメリカ自然史博物館は、「理論とは、法則、仮説、事実を組み込むことができる、自然界の側面の十分に実証された説明である」と述べています。

たとえば、ニュートンの重力理論は、万有引力の法則としても知られていますが、宇宙のどこにでもあるすべての物体は、重力に対して同じように反応すると述べています。地球の周りを回る月の動き、木星の周りを回る木星の衛星の動き、落下したハンマーの落下などの観測データはすべて、ニュートンの理論と一致しています。したがって、ニュートンの理論は、これらの物体の運動について私たちが知っていることを簡潔に要約する方法を提供します。どれか重力に反応する物体。

科学理論は「経験を整理する」と、トロント大学の科学哲学者であるジェームズ・ロバート・ブラウンはトリニ・ラジオに語っています。 「それをある種の体系的な形にします。」

成功した理論の説明

すでに知られている事実を説明する理論の能力は、その理論が受け入れられるための確固たる基盤を築きます。例としてニュートンの重力理論を詳しく見てみましょう。

17 世紀後半、惑星は太陽の周りを楕円軌道で移動することが知られていましたが、明確な考えはありませんでした。なぜ軌道は楕円のような形にする必要がありました。同様に、落下物の動きは、半世紀前のガリレオの仕事以来よく理解されていました。イタリアの科学者は、落下する物体の速度が時間とともにどのように増加するかを説明する数式を考案しました。ニュートンの大きなブレークスルーは、これらすべてを結びつけることでした。伝説によると、彼の洞察の瞬間は、故郷のリンカンシャーで落ちてくるリンゴを見つめていたときに訪れました。

ニュートンの理論では、すべてのオブジェクトは他のすべてのオブジェクトに引き付けられ、その力はオブジェクトの質量に比例しますが、オブジェクト間の距離の 2 乗に反比例します。これは「逆二乗」法則として知られています。たとえば、太陽と地球の距離が 2 倍になると、地球と太陽の間の引力は現在の強度の 4 分の 1 に減少します。ニュートンは、彼の理論と微積分を使用して、太陽と惑星が宇宙を移動する際の重力により、軌道は楕円形でなければならないことを示すことができました。

ニュートンの理論は、リンゴの落下、地球の周りの月の動き、太陽の周りのすべての惑星、さらには彗星の動きなど、多くのことを説明しているので強力です。すべてそれが今では理にかなっています。

成功する理論の予測

新しい観察可能な現象を予測する場合、理論はさらに支持されます。イギリスの天文学者エドモンド・ハレーは、ニュートンの重力理論を使用して、現在彼の名前を冠している彗星の軌道を計算しました。太陽、木星、土星の引力を考慮して、1705 年に、彼は 1682 年に最後に見られた彗星が 1758 年に戻ってくると予測しました。 (残念ながら、ハレーはそれを見るために生きていませんでした。彼は 1742 年に亡くなりました。) ハレー彗星の予測された帰還は、ニュートン理論の「見事な勝利」だったとブラウンは言います。

20 世紀初頭には、ニュートンの重力理論自体が、物理学者が言うように、一般相対性理論として知られるアインシュタインの理論に取って代わられました。 (ニュートンが重力を物体間に作用する力と考えていたところ、アインシュタインは重力を空間自体の曲がりやゆがみの結果であると説明しました。) 一般的な相対性は、ニュートンの理論では説明できなかった特定の現象を説明することができました。ゆっくりと回転する水星の軌道 — これの専門用語は「引力」 — 惑星が太陽の周りをとっている各ループは楕円であるが、水星は何年にもわたってあなたが作ったものと同様の螺旋経路をたどるスピログラフの子供のように。

重要なことに、アインシュタインの理論は、ニュートンの理論とは異なる予測も行っていました。 1 つは、重力が星の光を曲げることができるという考えで、これは 1919 年の日食の際に見事に確認されました (アインシュタインは一夜にして有名人になりました)。それから約 100 年後の 2016 年、重力波の発見により、さらに別の予測が裏付けられました。その間の世紀の間に、アインシュタインの理論の少なくとも 8 つの予測が確認されました。

理論は進化、統合、または置き換えられる可能性があります

それでも物理学者は、アインシュタインの理論がいつの日か、より完全な新しい理論に取って代わられると信じています。それは、素粒子の世界を最もよく説明する理論である量子力学とすでに矛盾しているようです。 2 つの理論が世界を説明する方法は大きく異なります。一般相対性理論では、宇宙は明確な位置と速度を持つ粒子を含み、空間全体に浸透する重力場に反応して動き回っていると説明しています。対照的に、量子力学は、各粒子が特定の時間に特定の場所で見つかる確率のみを算出します。

量子力学とアインシュタインの重力理論を組み合わせた「統一された物理学理論」はどのように見えるでしょうか?おそらく、それは両方の理論の説明力を組み合わせて、科学者が宇宙の非常に大きなものと非常に小さなものの両方を理解できるようにするでしょう。

理論は事実にもなり得る

ちょっと物理から生物に移ろう。 生物学者がダーウィンの進化論を保持しているのは、まさにその巨大な説明力のためです.科学者は、遺伝学、生理学、生化学、古生物学、生物地理学、および他の多くの分野からのデータを非常に高く評価することができます.生物学者のテオドシウス・ドブジャンスキーが 1973 年に影響力のあるエッセイの中で次のように述べているように、「進化の観点を除いて、生物学には何の意味もありません」。

興味深いことに、その言葉進化両方の理論を指すのに使用できますそして事実 — ダーウィン自身が悟った何か。ダーウィンが進化について話していたとき、事実進化の理論進化論です」とブラウンは言います。 」事実進化論は、種が実際に進化したことである[すなわち、時間の経過とともに変化します]—そして彼はこれについてあらゆる種類の証拠を持っていました。は理論進化論は、この進化過程を説明しようとする試みです。ダーウィンが最終的に思いついた説明は、自然選択の考え方でした。大まかに言うと、生物の子孫は変化し、より好ましい形質を持つ子孫は生き残る可能性が高く、その形質が次の世代に引き継がれるという考えです。 .

私たちは理論に自信を持っています

科学者は、地球が太陽の周りを回転しているという主張と同じように、相対性理論、量子力学、進化、プレートテクトニクス、および熱力学の理論に自信を持っています。

現在の研究の最先端に近い他の理論は、より暫定的なものであり、ひも理論 (宇宙のすべては、小さな振動するひもまたは純粋なエネルギーのループで構成されているという考え) や、さまざまな多元宇宙理論 (私たちの宇宙全体が多くの 1 つに過ぎないということです)ひも理論と多元宇宙理論は、それらに対する直接的な実験的証拠がないために議論の余地があり、一部の批評家は、多元宇宙理論は原則として検証できないと主張しています。彼らは、これらの他の宇宙の存在を明らかにする可能性のある実験は考えられないと主張しています。

ジッパ・ディー・ドゥーダー

自然現象の観察を説明するために複数の理論が提唱されることがあります。これらの理論は「競合している」と言え、科学者はどちらが観察結果に最も良い説明を提供するかを判断します。

「それが理想的に機能する方法です」とブラウンは言います。 「あなたはあなたの理論を提唱し、私は私の理論を提唱しました。私たちは多くの証拠を蓄積します。最終的に、私たちの理論の一方が、ある期間にわたって明らかに他方より優れていることが判明する可能性があります。その時点で、負け理論は一種の脱落します。そして、勝者の理論はおそらく将来の戦いを戦うでしょう。