Wissenschaftliche Theorie

A wissenschaftliche Theorie ist eine Erklärung für einen Aspekt der Natürliche Welt und Universum das war wiederholt getestet und bestätigte in Übereinstimmung mit dem wissenschaftliche Methode, mit akzeptiert Protokolle von Überwachung, Messung und Bewertung der Ergebnisse. Nach Möglichkeit werden Theorien unter kontrollierten Bedingungen in einem getestet Experiment.[1][2] Unter Umständen, die experimentellen Tests nicht zugänglich sind, werden Theorien durch Prinzipien von bewertet Abduktion. Etablierte wissenschaftliche Theorien haben strenge Kontrolle stand Wissen.[3]

Eine wissenschaftliche Theorie unterscheidet sich von a wissenschaftliche Tatsache oder Wissenschaftliches Gesetz In diesem Fall erklärt eine Theorie "Warum" oder "Wie": Eine Tatsache ist eine einfache, grundlegende Beobachtung, während ein Gesetz eine Aussage (oft eine mathematische Gleichung) über eine Beziehung zwischen Fakten ist. Zum Beispiel ist Newtons Gravity -Gesetz eine mathematische Gleichung, die verwendet werden kann, um die Anziehungskraft zwischen den Körpern vorherzusagen, aber es ist keine Theorie zu erklären wie Schwerkraft funktioniert.[4] Stephen Jay Gould schrieb: "... Fakten und Theorien sind unterschiedliche Dinge, nicht in einer Hierarchie der Gewissheit. Fakten sind die Daten der Welt. Theorien sind Strukturen von Ideen, die Fakten erklären und interpretieren."[5]

Die Bedeutung des Begriffs wissenschaftliche Theorie (Oft beauftragt zu Theorie für Kürze) wie in der verwendet Disziplinen der Wissenschaft unterscheidet sich erheblich von den gemeinsamen Umgangssprache Benutzung von Theorie.[6][Anmerkung 1] In der Alltagsrede, Theorie kann eine Erklärung implizieren, die einen unbegründeten und spekulativen darstellt erraten,[6] In der Wissenschaft beschreibt es eine Erklärung, die getestet wurde und allgemein als gültig akzeptiert wird.[1][2][3]

Die Stärke einer wissenschaftlichen Theorie hängt mit der Vielfalt der Phänomene zusammen, die sie erklären kann, und ihrer Einfachheit. Als zusätzlich wissenschaftlicher Beweis Es wird gesammelt, eine wissenschaftliche Theorie kann geändert und letztendlich abgelehnt werden, wenn sie nicht für die neuen Ergebnisse angepasst werden kann. Unter solchen Umständen ist dann eine genauere Theorie erforderlich. Einige Theorien sind so gut etabliert, dass sie unwahrscheinlich sind, dass sie jemals grundlegend verändert wurden (zum Beispiel wissenschaftliche Theorien wie Evolution, heliocentric theory, Zelltheorie, Theorie der Plattentektonik, Keimtheorie der Krankheit, etc.). In bestimmten Fällen kann eine wissenschaftliche Theorie oder ein wissenschaftliches Gesetz, das nicht alle Daten entspricht, weiterhin nützlich sein (aufgrund ihrer Einfachheit) als Annäherung unter bestimmten Bedingungen. Ein Beispiel ist Newtons Bewegungsgesetze, die eine sehr genaue Annäherung an sind Spezielle Relativität bei Geschwindigkeiten, die im Verhältnis zum kleinen Relativ sind Lichtgeschwindigkeit.[7][8][9]

Wissenschaftliche Theorien sind Testbar und mache falsifizierbar Vorhersagen.[10] Sie beschreiben die Ursachen eines bestimmten natürlichen Phänomens und werden verwendet, um Aspekte des physischen Universum oder spezifische Untersuchungsbereiche (zum Beispiel Strom, Chemie und Astronomie). Wie bei anderen Formen des wissenschaftlichen Wissens sind wissenschaftliche Theorien beide deduktiv und induktiv,[11] abziehlen auf Vorhersage und Erklärungskraft. Wissenschaftler nutzen Theorien, um weiteres wissenschaftliches Wissen zu erhalten, und erleichtern Fortschritte in Technologie oder Medizin.

Typen

Albert Einstein beschrieben zwei Arten von wissenschaftlichen Theorien: "konstruktive Theorien" und "Prinzipentheorien". Konstruktive Theorien sind konstruktive Modelle für Phänomene: Zum Beispiel, zum Beispiel, Kinetische Theorie. Prinzipentheorien sind empirische Verallgemeinerungen wie Newtons Bewegungsgesetze.[12]

Eigenschaften

Wesentliche Kriterien

Normalerweise gibt es ein einfaches Kriterium, dass jede Theorie in den meisten Wissenschaftlern akzeptiert wird. Das wesentliche Kriterium ist, dass die Theorie beobachtbar und wiederholbar sein muss. Das oben genannte Kriterium ist wichtig, um Betrug zu verhindern und die Wissenschaft selbst aufrechtzuerhalten.

Die tektonischen Platten der Welt wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts kartiert. Die tektonische Plattentheorie erklärt erfolgreich zahlreiche Beobachtungen über die Erde, darunter die Verteilung von Erdbeben, Bergen, Kontinenten und Ozeanen.

Das bestimmende Merkmal aller wissenschaftlichen Wissen, einschließlich Theorien, ist die Fähigkeit zu machen falsifizierbar oder pünktlich Vorhersagen. Die Relevanz und Spezifität dieser Vorhersagen bestimmen, wie potenziell nützlich die Theorie ist. Eine potenzielle Theorie, die keine beobachtbaren Vorhersagen macht, ist überhaupt keine wissenschaftliche Theorie. Vorhersagen, die nicht ausreichend spezifisch sind, um getestet zu werden, sind ähnlich nicht nützlich. In beiden Fällen ist der Begriff "Theorie" nicht anwendbar.

Eine Gruppe von Beschreibungen von Wissen kann als Theorie bezeichnet werden, wenn sie die folgenden Kriterien erfüllt:

  • Es macht falsifizierbar Vorhersagen mit konsequenter Genauigkeit über einen breiten Bereich wissenschaftlicher Untersuchungen (wie z. Mechanik).
  • Es wird von vielen unabhängigen Beweissträngen und einer einzigen Stiftung gut unterstützt.
  • Es steht im Einklang mit bereits bestehenden experimentellen Ergebnissen und zumindest in seinen Vorhersagen genauso genau wie alle bereits bestehenden Theorien.

Diese Qualitäten gilt sicherlich für etablierte Theorien wie Besondere und generelle Relativität, Quantenmechanik, Plattentektonik, das Moderne evolutionäre Synthese, etc.

Andere Kriterien

Darüber hinaus ziehen Wissenschaftler lieber mit einer Theorie zusammen, die die folgenden Eigenschaften entspricht:

  • Es kann geringfügigen Anpassungen ausgesetzt werden, um neue Daten zu berücksichtigen, die nicht perfekt zu ihnen passen, wie sie entdeckt werden, wodurch die Vorhersagekapazität im Laufe der Zeit erhöht wird.[13]
  • Es gehört zu den sparsamsten Erklärungen, die in der Verwendung vorgeschlagener Einheiten oder erklärenden Schritten wie PER wirtschaftlich wirtschaftlich sind Ockhams Rasiermesser. Dies liegt daran ad hoc Hypothesen um zu verhindern, dass sie gefälscht werden; Daher sind einfachere Theorien komplexere Theorien vorzuziehen, weil sie mehr sind Testbar.[14][15][16]

Definitionen von wissenschaftlichen Organisationen

Das Nationale Akademie der US -Wissenschaften der Vereinigten Staaten definiert wissenschaftliche Theorien wie folgt:

Die formale wissenschaftliche Definition der Theorie unterscheidet sich ganz von der alltäglichen Bedeutung des Wortes. Es bezieht sich auf eine umfassende Erklärung für einen Aspekt der Natur, der durch eine Vielzahl von Beweisen gestützt wird. Viele wissenschaftliche Theorien sind so gut bekannt, dass sie wahrscheinlich keine neuen Beweise im Wesentlichen verändern werden. Zum Beispiel werden keine neuen Beweise zeigen, dass sich die Erde nicht um die Sonne umkreist (heliozentrische Theorie) oder dass Lebewesen nicht aus Zellen (Zelltheorie) bestehen, diese Materie nicht aus Atomen oder der Oberfläche der Oberfläche der Die Erde ist nicht in feste Platten unterteilt, die sich über geologische Zeitskalen (die Theorie der Plattentektonik) bewegt haben ... Eine der nützlichsten Eigenschaften wissenschaftlicher Theorien ist, dass sie verwendet werden können, um Vorhersagen über natürliche Ereignisse oder Phänomene zu treffen, die noch nicht haben wurde beobachtet.[17]

Von dem American Association for the Advancement of Science:

Eine wissenschaftliche Theorie ist eine gut subtilierte Erklärung für einen Aspekt der natürlichen Welt, der auf einer Reihe von Tatsachen basiert, die durch Beobachtung und Experiment wiederholt bestätigt wurden. Solche faktengestützten Theorien sind keine "Vermutungen", sondern zuverlässige Berichte über die reale Welt. Die Theorie der biologischen Evolution ist mehr als "nur eine Theorie". Es ist so sachlich eine Erklärung des Universums wie die Atomtheorie der Materie oder die Keimtheorie der Krankheit. Unser Verständnis der Schwerkraft ist noch in Arbeit. Aber das Phänomen der Schwerkraft ist wie die Evolution eine akzeptierte Tatsache.

Beachten Sie, dass der Begriff Theorie wäre nicht angemessen, ungetestete, sondern komplizierte Hypothesen oder sogar zu beschreiben Wissenschaftliche Modelle.

Formation

Die erste Beobachtung von Zellen, durch Robert Hookefrühzeitig mit einem frühen Mikroskop.[18] Dies führte zur Entwicklung von Zelltheorie.

Das wissenschaftliche Methode beinhaltet den Vorschlag und die Prüfung von Hypothesendurch Ableitung Vorhersagen Aus den Hypothesen über die Ergebnisse zukünftiger Experimente und dann diese Experimente, um festzustellen, ob die Vorhersagen gültig sind. Dies liefert entweder für oder gegen die Hypothese. Wenn in einem bestimmten Untersuchungsgebiet genügend experimentelle Ergebnisse gesammelt wurden, können Wissenschaftler einen erklärenden Rahmen vorschlagen, der so viele davon wie möglich ausmacht. Diese Erklärung wird ebenfalls getestet, und wenn sie die erforderlichen Kriterien (siehe oben) erfüllt, wird die Erklärung zu einer Theorie. Dies kann viele Jahre dauern, da es schwierig oder kompliziert sein kann, ausreichende Beweise zu sammeln.

Sobald alle Kriterien erfüllt sind, wird es von Wissenschaftlern weithin akzeptiert (siehe Wissenschaftlicher Konsens) als die beste verfügbare Erklärung für zumindest einige Phänomene. Es wird Vorhersagen von Phänomenen gemacht haben, die frühere Theorien nicht genau erklären oder nicht genau vorhersagen konnten, und es wird sich den Versuchen zur Fälschung widersetzt. Die Stärke der Beweise wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft bewertet, und die wichtigsten Experimente werden von mehreren unabhängigen Gruppen repliziert worden.

Theorien müssen nicht perfekt genau sein, um wissenschaftlich nützlich zu sein. Zum Beispiel die Vorhersagen von klassische Mechanik Es ist bekannt, dass sie im relativistischen Bereich ungenau sind, sind jedoch bei den vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeiten der häufigen menschlichen Erfahrung fast genau richtig.[7] Im Chemie, es gibt viele Säure-Base-Theorien Sie liefern stark divergierende Erklärungen für die zugrunde liegende Natur saurer und grundlegender Verbindungen, sind jedoch sehr nützlich, um ihr chemisches Verhalten vorherzusagen.[19] Wie alle Wissenswissene kann keine Theorie jemals vollständig sein sicherDa es möglich ist, dass zukünftige Experimente mit den Vorhersagen der Theorie in Konflikt stehen.[9] Theorien, die durch den wissenschaftlichen Konsens gestützt werden, haben jedoch die höchste Gewissheit über wissenschaftliche Erkenntnisse. Zum Beispiel, dass alle Objekte unterworfen sind Schwere oder dieses Leben auf Erden sich entwickelt von einem Gemeinsamer Vorfahr.[20]

Die Akzeptanz einer Theorie erfordert nicht, dass alle ihre Hauptvorhersagen getestet werden, wenn sie bereits durch ausreichend starke Beweise gestützt wird. Beispielsweise können bestimmte Tests unmittelbar oder technisch schwierig sein. Infolgedessen können Theorien Vorhersagen treffen, die noch nicht bestätigt oder falsch nachgewiesen wurden. In diesem Fall können die vorhergesagten Ergebnisse informell mit dem Begriff "theoretisch" beschrieben werden. Diese Vorhersagen können zu einem späteren Zeitpunkt getestet werden, und wenn sie falsch sind, kann dies zur Überarbeitung oder Ablehnung der Theorie führen.

Änderung und Verbesserung

Wenn experimentelle Ergebnisse gegen die Vorhersagen einer Theorie beobachtet werden Reproduzieren. Eine Suche nach potenziellen Verbesserungen der Theorie beginnt dann. Lösungen erfordern möglicherweise geringfügige oder wesentliche Änderungen an der Theorie oder gar keiner, wenn eine zufriedenstellende Erklärung im vorhandenen Rahmen der Theorie gefunden wird.[21] Im Laufe der Zeit verbessern sich aufeinanderfolgende Modifikationen, da sich aufeinander aufeinander aufbauen, die Theorien konsequent und eine größere Vorhersagegenauigkeit erreicht. Da jede neue Version einer Theorie (oder eine völlig neue Theorie) eine prädiktivere und erklärendere Kraft haben muss als das letzte, wird wissenschaftliches Wissen im Laufe der Zeit durchweg genauer.

Wenn Änderungen an der Theorie oder anderen Erklärungen nicht ausreichen, um die neuen Ergebnisse zu berücksichtigen, kann eine neue Theorie erforderlich sein. Da wissenschaftliches Wissen normalerweise langlebig ist, tritt dies viel seltener auf als die Modifikation.[9] Bis eine solche Theorie vorgeschlagen und akzeptiert wird, wird die vorherige Theorie beibehalten. Dies liegt daran, dass es immer noch die beste verfügbare Erklärung für viele andere Phänomene ist, wie sie durch seine Vorhersagekraft in anderen Kontexten verifiziert ist. Zum Beispiel ist seit 1859 bekannt, dass das beobachtet wurde Perihel -Präzession des Quecksilbers verstößt gegen die Newtonsche Mechanik,[22] Aber die Theorie blieb die beste verfügbare Erklärung, bis Relativität wurde durch ausreichende Beweise gestützt. Während neue Theorien von einer einzelnen Person oder von vielen vorgeschlagen werden können, enthält der Zyklus der Modifikationen schließlich Beiträge vieler verschiedener Wissenschaftler.[23]

Nach den Veränderungen erklärt die akzeptierte Theorie mehr Phänomene und hat eine größere Vorhersagekraft (wenn dies nicht der Fall wäre, würden die Änderungen nicht angenommen); Diese neue Erklärung ist dann offen für einen weiteren Austausch oder Änderungen. Wenn eine Theorie trotz wiederholter Tests keine Modifikation erfordert, bedeutet dies, dass die Theorie sehr genau ist. Dies bedeutet auch, dass akzeptierte Theorien im Laufe der Zeit weiterhin Beweise ansammeln, und die Zeitdauer, die eine Theorie (oder eines ihrer Prinzipien) bleibt, zeigt häufig die Stärke ihrer unterstützenden Beweise an.

Vereinigung

Im Quantenmechanik, das Elektronen von einem Atom besetzen Orbitale um die Kern. Dieses Bild zeigt die Orbitale von a Wasserstoff Atom (s, p, d) bei drei verschiedenen Energieniveaus (1, 2, 3). Hellere Bereiche entsprechen einer höheren Wahrscheinlichkeitsdichte.

In einigen Fällen können zwei oder mehr Theorien durch eine einzelne Theorie ersetzt werden, die die vorherigen Theorien als Annäherungen oder Sonderfälle erklärt. Analog zu der Art und Weise, wie eine Theorie eine einheitliche Erklärung für viele bestätigte Hypothesen ist; Dies wird als bezeichnet als Vereinigung von Theorien.[8] Zum Beispiel, Elektrizität und Magnetismus sind nun zwei Aspekte desselben Phänomens bekannt, die als als bezeichnet werden Elektromagnetismus.[24]

Wenn sich die Vorhersagen verschiedener Theorien gegenseitig widersprechen, wird dies auch durch weitere Beweise oder eine Vereinigung gelöst. Zum Beispiel implizierten physikalische Theorien im 19. Jahrhundert, dass die Sonne hätte nicht lange genug brennen können, um bestimmte geologische Veränderungen sowie die zu ermöglichen Evolution des Lebens. Dies wurde durch die Entdeckung von gelöst Kernfusion, die Hauptergiequelle der Sonne.[25] Widersprüche können auch als Ergebnis von Theorien erklärt werden, die grundlegendere (nicht kontrollierende) Phänomene näherten. Zum Beispiel, Atomtheorie ist eine Annäherung von Quantenmechanik. Aktuelle Theorien beschreiben drei getrennte grundlegende Phänomene von denen alle anderen Theorien Annäherungen sind;[26] Die potenzielle Vereinigung dieser wird manchmal als als genannt Theorie von allem.[8]

Beispiel: Relativitätstheorie

Im Jahr 1905, Albert Einstein veröffentlichte das Prinzip von Spezielle Relativität, was bald zu einer Theorie wurde.[27] Die besondere Relativitätstheorie hat die Ausrichtung des Newtonschen Prinzips von vorausgesagt Galiläische Invarianz, auch bezeichnet Galiläische Relativitätstheoriemit dem elektromagnetischen Feld.[28] Durch Auslassen von besonderer Relativitätstheorie die Luminiferous ÄtherEinstein erklärte das Zeitdilatation und Längenkontraktion gemessen in einem Objekt in der relativen Bewegung ist Trägheit- Das heißt, das Objekt zeigt konstant Geschwindigkeit, welches ist Geschwindigkeit mit Richtung, wenn er von seinem Beobachter gemessen wird. Er duplizierte dadurch das Lorentz -Transformation und die Lorentz -Kontraktion Es wurde angenommen, dass es experimentelle Rätsel auflöst und als dynamische Konsequenzen der Eigenschaften des Äsths in die elektrodynamische Theorie eingefügt wurde. Eine elegante Theorie, besondere Relativitätstheorie ergab ihre eigenen Konsequenzen,[29] so wie die Äquivalenz von Masse und Energie, die sich ineinander verwandeln und die Auflösung des Paradoxons, dass eine Anregung des elektromagnetischen Feldes in einem Referenzrahmen als Elektrizität, jedoch in einem anderen als Magnetismus betrachtet werden kann.

Einstein versuchte, das Invarianzprinzip auf alle Referenzrahmen zu verallgemeinern, ob inertial oder beschleunigt.[30] Ablehnung der Newtonschen Gravitation - a Zentrale Kraft sofort in einiger Entfernung handeln- Einstein vermutete ein Gravitationsfeld. Im Jahr 1907, Einsteins Äquivalenzprinzip impliziert, dass ein freier Fall in einem einheitlichen Gravitationsfeld gleichwertig ist Trägheit Bewegung.[30] Durch die Ausweitung der Effekte von Spezial Relativität in drei Dimensionen, generelle Relativität verlängerte Länge Kontraktion in Raumkontraktion, konzipieren von 4D Raumzeit als Gravitationsfeld, das geometrisch verändert und alle lokalen Objekte setzt. Sogar massenlose Energie übt eine Gravitationsbewegung auf lokale Objekte aus, indem sie die geometrische "Oberfläche" der 4D-Raumzeit "geschwürt". Wenn die Energie jedoch nicht groß ist, sind ihre relativistischen Auswirkungen des Vertragsraums und der Verlangsamung der Zeit vernachlässigbar, wenn sie lediglich die Bewegung vorhersagen. Obwohl die allgemeine Relativitätstheorie als die erklärenderer Theorie übernommen wird wissenschaftlicher Realismus, Newtons Theorie bleibt erfolgreich als lediglich eine Vorhersagetheorie durch Instrumentalismus. Um Trajektorien zu berechnen, verwenden die Ingenieure und die NASA immer noch Newtons Gleichungen, die einfacher zu bedienen sind.[9]

Theorien und Gesetze

Sowohl wissenschaftliche Gesetze als auch wissenschaftliche Theorien werden aus der wissenschaftlichen Methode durch die Bildung und Prüfung von Hypothesen hergestellt und können das Verhalten der natürlichen Welt vorhersagen. Beide sind typischerweise durch Beobachtungen und/oder experimentelle Beweise gut unterstützt.[31] Wissenschaftliche Gesetze sind jedoch beschreibende Berichte darüber, wie sich die Natur unter bestimmten Bedingungen verhalten wird.[32] Wissenschaftliche Theorien sind im Umfang breiter und geben übergreifende Erklärungen darüber, wie die Natur funktioniert und warum sie bestimmte Merkmale aufweist. Theorien werden durch Beweise aus vielen verschiedenen Quellen gestützt und können ein oder mehrere Gesetze enthalten.[33]

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass wissenschaftliche Theorien rudimentäre Ideen sind, die letztendlich zu wissenschaftlichen Gesetzen eingehen, wenn genügend Daten und Beweise gesammelt wurden. Eine Theorie ändert sich nicht in ein wissenschaftliches Gesetz mit der Ansammlung neuer oder besserer Beweise. Eine Theorie wird immer eine Theorie bleiben; Ein Gesetz bleibt immer ein Gesetz.[31][34][35] Sowohl Theorien als auch Gesetze könnten möglicherweise durch Gegenbeweise gefälscht werden.[36]

Theorien und Gesetze unterscheiden sich ebenfalls von Hypothesen. Im Gegensatz zu Hypothesen können Theorien und Gesetze einfach als als bezeichnet werden wissenschaftliche Tatsache.[37][38] In der Wissenschaft unterscheiden sich Theorien jedoch von Fakten, selbst wenn sie gut unterstützt werden.[39] Zum Beispiel, Evolution ist beide a Theorie und eine Tatsache.[6]

Über Theorien

Theorien als Axiome

Das logische Positivisten Denken wissenschaftliche Theorien als Aussagen in a formelle Sprache. Logik erster Ordnung ist ein Beispiel für eine formale Sprache. Die logischen Positivisten stellten eine ähnliche wissenschaftliche Sprache vor. Zusätzlich zu wissenschaftlichen Theorien umfasste die Sprache auch Beobachtungssätze ("Die Sonne steigt im Osten"), Definitionen und mathematische Aussagen. Die durch die Theorien erklärten Phänomene, wenn sie nicht direkt von den Sinnen beobachtet werden konnten (zum Beispiel, Atome und Radiowellen), wurden als theoretische Konzepte behandelt. In dieser Ansicht fungieren Theorien als Axiome: vorhergesagte Beobachtungen stammen aus den Theorien ähnlich wie Theoreme sind abgeleitet in Euklidische Geometrie. Die Vorhersagen werden jedoch gegen die Realität getestet, um die Vorhersagen zu überprüfen, und die "Axiome" können als direktes Ergebnis überarbeitet werden.

Der Satz "die erhaltene Sicht auf Theorien"Wird verwendet, um diesen Ansatz zu beschreiben. Begriffe, die üblicherweise damit verbunden sind, sind"sprachlich"(Weil Theorien Komponenten einer Sprache sind) und"syntaktisch"(Weil eine Sprache Regeln darüber enthält, wie Symbole miteinander aufgereiht werden können). Probleme bei der genauen Definition dieser Art von Sprache, z. B. Objekte, die in Mikroskopen beobachtet wurden, oder sind sie theoretische Objekte, die zum wirksamen Niedergang des logischen Positivismus in den 1970er Jahren geführt haben .

Theorien als Modelle

Das Semantische Sicht auf Theorien, was wissenschaftliche Theorien mit identifiziert Modelle statt Aussagen, hat die empfangene Ansicht als dominierende Position in der Theorieformulierung in der Philosophie der Wissenschaft ersetzt.[40][41][42] Ein Modell ist ein logischer Rahmen, der die Realität darstellt (ein "Modell der Realität"), ähnlich wie eine Karte ein grafisches Modell ist, das das Territorium einer Stadt oder eines Landes darstellt.[43][44]

Präzession des Perihel von Quecksilber (übertrieben). Die Abweichung in Mercurys Position von der Newtonschen Vorhersage beträgt ungefähr 43 Bogensekunden (etwa zwei Drittel von 1/60 von a Grad) pro Jahr.[45][46]

In diesem Ansatz sind Theorien eine spezifische Kategorie von Modellen, die die erforderlichen Kriterien erfüllen (siehe Oben). Man kann Sprache verwenden, um ein Modell zu beschreiben; Die Theorie ist jedoch das Modell (oder eine Sammlung ähnlicher Modelle) und nicht die Beschreibung des Modells. Ein Modell des Sonnensystems kann beispielsweise aus abstrakten Objekten bestehen, die die Sonne und die Planeten darstellen. Diese Objekte haben assoziierte Eigenschaften, z. B. Positionen, Geschwindigkeiten und Massen. Die Modellparameter, z. B. Newtons Gravitationsgesetz, bestimmen, wie sich die Positionen und Geschwindigkeiten mit der Zeit ändern. Dieses Modell kann dann getestet werden, um festzustellen, ob es zukünftige Beobachtungen genau vorhersagt. Astronomen können überprüfen, ob die Positionen der Objekte des Modells im Laufe der Zeit den tatsächlichen Positionen der Planeten übereinstimmen. Für die meisten Planeten sind die Vorhersagen des Newtonschen Modells genau; zum Quecksilberes ist etwas ungenau und das Modell von generelle Relativität muss stattdessen verwendet werden.

Das Wort "semantisch"Bezieht sich auf die Art und Weise, wie ein Modell die reale Welt darstellt. Die Darstellung (im wahrsten Sinne des Wortes," Neuaussetzung ") beschreibt bestimmte Aspekte eines Phänomens oder die Art der Wechselwirkung zwischen einer Reihe von Phänomenen. Zum Beispiel ein Skalenmodell eines Hauses oder eines Sonnensystems ist eindeutig kein tatsächliches Haus oder ein tatsächliches Sonnensystem, die Aspekte eines tatsächlichen Hauses oder eines tatsächlichen Sonnensystems, das in einem Skalierungsmodell dargestellt wird eines Hauses ist kein Haus; sondern für jemanden, der will lernen Häuser, analog zu einem Wissenschaftler, der die Realität verstehen will, kann ein ausreichend detailliertes Maßstabsmodell ausreichen.

Unterschiede zwischen Theorie und Modell

Mehrere Kommentatoren[47] haben erklärt, dass das Unterscheidungsmerkmal der Theorien darin besteht, dass sie sowohl erklärend als auch beschreibend sind, während Modelle nur beschreibend sind (obwohl sie in einem begrenzteren Sinne immer noch prädiktiv). Philosoph Stephen Pepper Auch zwischen Theorien und Modellen unterschieden und 1948 sagte, dass allgemeine Modelle und Theorien auf einer "Wurzel" -Metapher beruht, die die Art und Weise einschränkt, wie Wissenschaftler ein Phänomen theoretisieren und modellieren und somit zu Testsable Hypothesen gelangen.

Die technische Praxis unterscheidet zwischen "mathematischen Modellen" und "physischen Modellen". Die Kosten für die Herstellung eines physischen Modells können minimiert werden, indem zunächst ein mathematisches Modell mit einem Computer -Softwarepaket erstellt wird, wie z. Computer unterstütztes Design Werkzeug. Die Komponententeile werden jeweils modelliert und die Herstellungstoleranzen angegeben. Ein Explosierte Ansichtszeichnung wird verwendet, um die Herstellungssequenz auszulegen. Mit Simulationspaketen zum Anzeigen jedes der Unterassemblys können die Teile realistisch detailliert gedreht, vergrößert werden. Mit Software -Paketen zum Erstellen des Materialiens für den Bau können Subunternehmer auf Montageprozesse spezialisiert werden, wodurch die Kosten für Fertigungsmaschinen bei mehreren Kunden verbreitet werden. Sehen: Computergestütztes Ingenieurwesen, Computergestützte Herstellung, und 3d Drucken

Annahmen bei der Formulierung von Theorien

Eine Annahme (oder Axiom) ist eine Aussage, die ohne Beweise akzeptiert wird. Beispielsweise können Annahmen als Räumlichkeiten in einem logischen Argument verwendet werden. Isaac asimov beschrieben Annahmen wie folgt:

... Es ist falsch, von einer Annahme als wahr oder falsch zu sprechen, da es keine Möglichkeit gibt, sie zu beweisen (wenn es gäbe, wäre es keine Annahme mehr). Es ist besser, Annahmen als nützlich oder nutzlos zu betrachten, je nachdem, ob Abzüge aus ihnen der Realität entsprachen ... da wir irgendwo anfangen müssen, müssen wir Annahmen haben, aber zumindest lassen wir so wenig Annahmen wie möglich.[48]

Für alle empirischen Ansprüche sind bestimmte Annahmen erforderlich (z. B. die Annahme, dass Wirklichkeit existiert). Theorien treffen jedoch im herkömmlichen Sinne im Allgemeinen keine Annahmen (ohne Beweise akzeptierte Aussagen). Während Annahmen häufig während der Bildung neuer Theorien aufgenommen werden, werden diese entweder durch Beweise (wie aus bisher vorhandenen Theorien) gestützt oder die Beweise werden im Verlauf der Validierung der Theorie vorgelegt. Dies kann so einfach sein wie zu beobachten, dass die Theorie genaue Vorhersagen macht, was ein Beweis dafür ist, dass alle zu Beginn getroffenen Annahmen unter den getesteten Bedingungen korrekt oder ungefähr korrekt sind.

Konventionelle Annahmen können ohne Beweise verwendet werden, wenn die Theorie nur dann angewendet wird, wenn die Annahme gültig (oder ungefähr gültig) ist. Zum Beispiel die Spezialentheorie der Relativitätstheorie nimmt an an Trägheitsreferenzrahmen. Die Theorie macht genaue Vorhersagen, wenn die Annahme gültig ist, und macht keine genauen Vorhersagen, wenn die Annahme nicht gültig ist. Solche Annahmen sind oft der Punkt, mit dem ältere Theorien von neuen abgelöst werden (die Allgemeine Theorie der Relativitätstheorie funktioniert auch in nicht-stärkeren Referenzrahmen).

Der Begriff "Annahme" ist tatsächlich breiter als seine Standardnutzung etymologisch gesehen. Das Oxford English Dictionary (OED) und Online -Wiktionary weisen auf seine lateinische Quelle als an Annahme ("Akzeptieren, sich selbst nehmen, adoptieren, usurp"), was eine Konjunktion von ist Anzeige- ("zu, in Richtung, at") und Sumere (nehmen). Die Wurzel überlebt im Italiener mit verschobenen Bedeutungen Annahme und Spanisch Sumir. Das erste Gefühl der "Annahme" in der OED ist, "sich (sich selbst) zu nehmen, zu empfangen, zu akzeptieren, adoptieren". Der Begriff wurde ursprünglich in religiösen Kontexten wie in "um in den Himmel empfangen", insbesondere in der Rezeption der Jungfrau Maria in den Himmel, mit einer aus der Korruption bewahrten Körper "(1297 n. Chr.) in die Vereinigung erhalten "oder" in die Partnerschaft adoptieren ". Darüber hinaus umfassten andere Sinne von Ansumere (i) "sich mit (einem Attribut) investieren", (ii) "zu unternehmen" (insbesondere im Gesetz), (iii) ", nur in das Aussehen zu nehmen, vorgeben zu tun, vorzutäuschen" zu besitzen " und (iv) "annehmen, etwas zu sein" (alle Sinne aus dem OED -Eintrag auf "Annahme"; der OED -Eintrag für "Annahme" ist in Sinnen fast perfekt symmetrisch). "Annahme" bedeutet also andere Assoziationen als den zeitgenössischen Standardgefühl von "das, was als selbstverständlich oder als Annahme, Postulat" (nur 11. von 12 Sinnen der "Annahme" und 10. von 11 Sinnen von "Annahme ").

Beschreibungen

Aus Philosophen der Wissenschaft

Karl Popper beschrieben die Merkmale einer wissenschaftlichen Theorie wie folgt:[10]

  1. Es ist einfach, für fast jede Theorie Bestätigungen oder Überprüfungen zu erhalten - wenn wir nach Bestätigungen suchen.
  2. Bestätigungen sollten nur zählen, wenn sie das Ergebnis riskanter Vorhersagen sind. Das heißt, wenn wir, nicht durch die fragliche Theorie, ein Ereignis erwarten sollen, das mit der Theorie unvereinbar war - ein Ereignis, das die Theorie widerlegt hätte.
  3. Jede "gute" wissenschaftliche Theorie ist ein Verbot: Sie verbietet bestimmte Dinge. Je mehr eine Theorie verbietet, desto besser ist sie.
  4. Eine Theorie, die durch ein denkbares Ereignis nicht zurückhaltend ist, ist nicht wissenschaftlich. Irrefutabilität ist keine Tugend einer Theorie (wie Menschen oft denken), sondern ein Laster.
  5. Jeder echte Test einer Theorie ist ein Versuch, sie zu fälschen oder zu widerlegen. Testbarkeit ist Fälschbarkeit; Es gibt jedoch Grad der Testbarkeit: Einige Theorien sind nachweisbarer, der Widerlegung stärker ausgesetzt sind als andere; Sie nehmen sozusagen größere Risiken ein.
  6. Die Bestätigung der Beweise sollte nicht zählen, außer wenn es das Ergebnis eines echten Tests der Theorie ist; Und dies bedeutet, dass es als ernsthaften, aber erfolglosen Versuch dargestellt werden kann, die Theorie zu fälschen. (Ich spreche jetzt in solchen Fällen von "bestätigenden Beweisen".)
  7. Einige wirklich prüfbare Theorien, wenn sie sich als falsch befunden haben, könnten immer noch von ihren Bewunderern bestätigt werden - zum Beispiel durch Einführung von Post -hoc (danach) eine Hypothese oder Annahme von Hilfsmitteln oder durch Neuinterpretation der Theorie Post -hoc so, dass sie entkommt, dass sie entkommt Widerlegung. Ein solches Verfahren ist immer möglich, rettet die Theorie jedoch nur zum Preis der Zerstörung oder zumindest gesenkten wissenschaftlichen Status aus der Widerlegung, durch Manipulationen mit Beweisen. Die Versuchung zu Manipulationen kann minimiert werden, indem sich zunächst die Zeit genommen wird, das Testprotokoll aufzuschreiben, bevor die wissenschaftliche Arbeit eingeleitet wird.

Popper fasste diese Aussagen zusammen, indem er sagte, dass das zentrale Kriterium des wissenschaftlichen Status einer Theorie seine "Fälschbarkeit, Widerspruchsfähigkeit oder Testbarkeit" ist.[10] Das wiederholen, Stephen Hawking erklärt: "Eine Theorie ist eine gute Theorie, wenn sie zwei Anforderungen erfüllt: Sie muss eine große Klasse von Beobachtungen auf der Grundlage eines Modells, das nur wenige willkürliche Elemente enthält . " Er diskutiert auch die "unbegrenzte, aber fälschbare" Natur der Theorien, die eine notwendige Folge der induktiven Logik ist, und dass "Sie eine Theorie widerlegen können, indem Sie sogar eine einzige Beobachtung finden, die mit den Vorhersagen der Theorie nicht einverstanden ist".[49]

Mehrere Philosophen und Wissenschaftshistoriker haben jedoch argumentiert, dass Poppers Definition der Theorie als Reihe von fälschbaren Aussagen falsch ist[50] weil, wie Philip Kitcher hat darauf hingewiesen: Wenn man eine streng popperische Sicht auf "Theorie" einnahm, hätte die Beobachtungen von Uranus, als er 1781 zum ersten Mal entdeckt hatte, die Himmelsmechanik von Newton "verfälscht". Vielmehr schlugen die Menschen vor, dass ein anderer Planet die Umlaufbahn von Uranus beeinflusste - und diese Vorhersage wurde tatsächlich schließlich bestätigt.

Kitcher stimmt Popper zu, dass "sicherlich etwas richtig in der Idee ist, dass eine Wissenschaft nur dann erfolgreich sein kann, wenn sie scheitern kann".[51] Er sagt auch, dass wissenschaftliche Theorien Aussagen enthalten, die nicht verfälscht werden können, und dass auch gute Theorien kreativ sein müssen. Er besteht darauf, dass wir wissenschaftliche Theorien als "ausführliche Sammlung von Aussagen" betrachten, von denen einige nicht gefälscht sind, während andere - die er als "Hilfshypothesen" bezeichnet.

Laut Kitcher müssen gute wissenschaftliche Theorien drei Merkmale haben:[51]

  1. Einheit: "Eine Wissenschaft sollte einheitlich sein ... Gute Theorien bestehen nur aus einer Problemlösungsstrategie oder einer kleinen Familie von Problemlösungsstrategien, die auf eine Vielzahl von Problemen angewendet werden können."
  2. Fruchtbarkeit: "Eine großartige wissenschaftliche Theorie eröffnet wie Newton neue Forschungsbereiche ... weil eine Theorie eine neue Art des Betrachtens der Welt darstellt, können wir neue Fragen stellen und so neue und fruchtbare Linien von von Anfrage…. In der Regel ist eine florierende Wissenschaft unvollständig. Zu jeder Zeit wirft sie mehr Fragen auf, als sie derzeit beantworten kann. Unvollständigkeit ist jedoch nicht umgekehrt. Im Gegenteil, Unvollständigkeit ist die Mutter der Fruchtbarkeit…. Eine gute Theorie sollte produktiv sein. Es sollte neue Fragen aufwerfen und davon ausgehen, dass diese Fragen beantwortet werden können, ohne ihre Strategien zur Problemlösung aufzugeben. "
  3. Hilfshypothesen, die unabhängig testbar sind: "Eine Hilfshypothese sollte unabhängig von dem jeweiligen Problem, das sie eingeführt wird, unabhängig von der Theorie, die sie retten soll, unabhängig sein sollte." (Zum Beispiel ist der Beweis für die Existenz von Neptun unabhängig von den Anomalien in Uranus 'Umlaufbahn.)

Wie andere Definitionen von Theorien, einschließlich Popper, macht Kitcher deutlich, dass eine Theorie Aussagen enthalten muss, die beobachtende Konsequenzen haben. Aber wie die Beobachtung von Unregelmäßigkeiten in der Umlaufbahn von Uranus ist die Fälschung nur eine mögliche Folge der Beobachtung. Die Produktion neuer Hypothesen ist ein weiteres mögliches und ebenso wichtiges Ergebnis.

Analogien und Metaphern

Das Konzept einer wissenschaftlichen Theorie wurde auch unter Verwendung von Analogien und Metaphern beschrieben. Zum Beispiel der logische Empiriker Carl Gustav Hempel verglichen die Struktur einer wissenschaftlichen Theorie mit einem "komplexen räumlichen Netzwerk": "

Seine Begriffe werden durch die Knoten dargestellt, während die Fäden, die diese verbinden, teilweise mit den Definitionen und teilweise mit den in der Theorie enthaltenen grundlegenden und derivativen Hypothesen entsprechen. Das gesamte System schwimmt, so wie es sich über der Beobachtungsebene befand, und wird durch die Interpretationsregeln verankert. Diese können als Zeichenfolgen angesehen werden, die nicht Teil des Netzwerks sind, sondern bestimmte Punkte der letzteren mit bestimmten Orten in der Beobachtungsebene verknüpfen. Aufgrund dieser interpretativen Verbindungen kann das Netzwerk als wissenschaftliche Theorie fungieren: Aus bestimmten Beobachtungsdaten können wir über eine interpretative Zeichenfolge bis zu einem gewissen Punkt im theoretischen Netzwerk über Definitionen und Hypothesen zu anderen Punkten vorgehen. von denen eine andere interpretative Saite einen Abstieg in die Beobachtungsebene ermöglicht.[52]

Michael Polanyi machte eine Analogie zwischen einer Theorie und einer Karte:

Eine Theorie ist etwas anderes als ich. Es kann auf Papier als Regelnsystem dargelegt werden, und je mehr eine Theorie ist, desto vollständiger kann es in solchen Begriffen abgelegt werden. Die mathematische Theorie erreicht in dieser Hinsicht die höchste Perfektion. Aber auch eine geografische Karte verkörpert vollständig eine Reihe strenger Regeln, um seinen Weg durch eine Region ansonsten unbekannter Erfahrung zu finden. In der Tat kann jede Theorie als eine Art Karte angesehen werden, die über Raum und Zeit erweitert wird.[53]

Eine wissenschaftliche Theorie kann auch als ein Buch angesehen werden, das die grundlegenden Informationen über die Welt einfängt, ein Buch, das recherchiert, geschrieben und geteilt werden muss. 1623, Galileo Galilei schrieb:

Philosophie [d.h. Physik] ist in diesem Großbuch geschrieben - ich meine das Universum -, das ständig für unseren Blick offen steht, aber es kann nur verstanden werden, wenn man nicht zuerst lernt, die Sprache zu verstehen und die Charaktere zu interpretieren, in denen sie geschrieben wird. Es ist in der Sprache der Mathematik geschrieben, und seine Charaktere sind Dreiecke, Kreise und andere geometrische Figuren, ohne die es menschlich unmöglich ist, ein einzelnes Wort davon zu verstehen; Ohne diese wandert man in einem dunklen Labyrinth herum.[54]

Die Buchmetapher könnte auch in der folgenden Passage vom zeitgenössischen Wissenschaftsphilosoph angewendet werden Ian Hacking:

Ich selbst bevorzuge eine argentinische Fantasie. Gott hat kein Buch der Art geschrieben, die sich die alten Europäer vorstellten. Er schrieb eine borgesische Bibliothek, von denen jedes Buch so kurz wie möglich ist, doch jedes Buch ist miteinander nicht überein. Kein Buch ist überflüssig. Für jedes Buch gibt es ein menschlich zugängliches Stück Natur, so dass dieses Buch und kein anderes das Verständnis, die Vorhersage und die Beeinflussung dessen ermöglichen, was vor sich geht. Leibniz sagte, dass Gott eine Welt ausgewählt hat, die die Vielfalt der Phänomene maximierte einfachste Gesetze. Genau so: aber der beste Weg, um Phänomene zu maximieren und die einfachsten Gesetze zu haben, besteht darin, dass die Gesetze nicht miteinander vereinbar sind und jeweils für diese oder diese gilt, aber keine für alle gilt.[55]

In der Physik

Im Physik, der Begriff Theorie wird im Allgemeinen für einen mathematischen Rahmen verwendet - stammt aus einem kleinen Satz von Basic Postulate (Normalerweise Symmetrien - wie die Gleichheit von Orten im Raum oder in der Zeit oder die Identität von Elektronen usw.) -, die in der Lage sind, experimentelle Vorhersagen für eine bestimmte Kategorie physikalischer Systeme zu erzeugen. Ein gutes Beispiel ist Klassischer Elektromagnetismus, die Ergebnisse umfassen, die abgeleitet sind aus Messymmetrie (manchmal genannt Messungsinvarianz) in Form einigeriger Gleichungen genannt Maxwells Gleichungen. Die spezifischen mathematischen Aspekte der klassischen elektromagnetischen Theorie werden als "Gesetze des Elektromagnetismus" bezeichnet, was das Maß an konsistenten und reproduzierbaren Beweisen widerspiegelt, die sie unterstützen. Innerhalb der elektromagnetischen Theorie im Allgemeinen gibt es zahlreiche Hypothesen darüber, wie der Elektromagnetismus für bestimmte Situationen gilt. Viele dieser Hypothesen werden bereits als angemessen getestet, wobei neue immer in der Herstellung und vielleicht nicht getestet werden. Ein Beispiel für letztere könnte das sein Strahlungsreaktionskraft. Ab 2009 sind seine Auswirkungen auf die periodische Bewegung von Ladungen in nachweisbar in Synchbrons, aber nur als gemittelt Effekte im Laufe der Zeit. Einige Forscher erwägen nun Experimente, die diese Effekte auf momentaner Ebene beobachten könnten (d. H. Nicht im Laufe der Zeit gemittelt).[56][57]

Beispiele

Beachten Sie, dass viele Untersuchungsfelder keine spezifischen benannten Theorien haben, z. Entwicklungsbiologie. Wissenschaftliches Wissen außerhalb einer benannten Theorie kann abhängig von der Menge an Beweisen, die sie unterstützen, immer noch ein hohes Maß an Sicherheit aufweisen. Beachten Sie auch, dass die Kategorisierung nicht absolut ist, da Theorien Beweise aus vielen Bereichen ziehen.

Erläuternder Vermerk

  1. ^ Zitat: "Die formale wissenschaftliche Definition der Theorie unterscheidet sich ganz von der alltäglichen Bedeutung des Wortes. Sie bezieht sich auf eine umfassende Erklärung eines Aspekts der Natur, der durch eine Vielzahl von Beweisen gestützt wird."

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