Введение

Объяснение некоторых аспектов естественного мира, которое может быть проверено и подтверждено. Научная теория – это объяснение аспекта естественного мира и Вселенной, которое может быть (или, тем более, было) неоднократно проверено и подтверждено в соответствии с научным методом, с использованием общепринятых протоколов наблюдения, измерения и оценки результатов. По возможности, некоторые теории проверяются в контролируемых условиях в эксперименте. В ситуациях, не поддающихся экспериментальной проверке, теории оцениваются на основе принципов абдуктивного рассуждения. Устоявшиеся научные теории выдержали строгую проверку и отражают научные знания. Научная теория отличается от научного факта или научного закона тем, что теория объясняет "почему" или "как": факт – это простое, базовое наблюдение, в то время как закон – это утверждение (часто математическое уравнение) о взаимосвязи между фактами и/или другими законами. Например, закон всемирного тяготения 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 достоверности. Факты – это данные о мире. Теории – это структуры идей, которые объясняют и интерпретируют факты". Значение термина "научная теория" (часто сокращаемого до "теория" для краткости), используемого в науке, существенно отличается от обыденного употребления слова "теория". В повседневной речи "теория" может подразумевать объяснение, представляющее собой неподтвержденное и спекулятивное предположение, тогда как в научном контексте оно чаще всего относится к объяснению, которое уже было проверено и широко признано обоснованным, стремясь к предсказательной и объяснительной силе. Ученые используют теории для расширения научных знаний, а также для содействия прогрессу в технологиях или медицине.

Типы

Альберт Эйнштейн описал два различных типа научных теорий: "конструктивные теории" и "теории принципов". Конструктивные теории представляют собой модели, описывающие явления: например, кинетическая теория. Теории принципов – это эмпирические обобщения, одним из примеров которых являются законы движения Ньютона.

Формирование

Научный метод включает в себя выдвижение и проверку гипотез, посредством получения предсказаний на основе гипотез о результатах будущих экспериментов, а затем проведения этих экспериментов для проверки справедливости предсказаний. Это предоставляет доказательства, подтверждающие или опровергающие гипотезу. Когда в определенной области исследования накапливается достаточное количество экспериментальных результатов, ученые могут предложить объяснительную модель, охватывающую как можно большее их число. Это объяснение также подвергается проверке, и если оно соответствует необходимым критериям (см. выше), то становится теорией. Этот процесс может занять много лет, поскольку сбор достаточных доказательств может быть сложным и трудоемким. Как только все критерии выполнены, теория широко признается учеными (см. научный консенсус) как наилучшее доступное объяснение, по крайней мере, некоторых явлений. Она позволяет делать предсказания о явлениях, которые предыдущие теории не могли объяснить или предсказать точно, и подвергается многократным испытаниям. Сила доказательств оценивается научным сообществом, а наиболее важные эксперименты воспроизводятся несколькими независимыми группами. Теории не обязательно должны быть абсолютно точными, чтобы быть научно полезными. Например, предсказания классической механики известны своей неточностью в релятивистской области, но они практически верны при сравнительно низких скоростях, характерных для повседневного человеческого опыта. В химии существует множество кислотно-основных теорий, предлагающих существенно различающиеся объяснения природы кислот и оснований, но они весьма полезны для прогнозирования их химического поведения. Как и любые научные знания, ни одна теория не может быть абсолютно достоверной, поскольку всегда существует вероятность, что будущие эксперименты могут противоречить ее предсказаниям. Однако теории, поддерживаемые научным консенсусом, обладают наивысшей степенью достоверности среди всех научных знаний; например, то, что все объекты подвержены гравитации или что жизнь на Земле эволюционировала от общего предка. Принятие теории не требует проверки всех ее основных предсказаний, если она уже подкреплена достаточными доказательствами. Например, некоторые проверки могут быть невозможны или технически сложны. В результате теории могут делать предсказания, которые еще не были подтверждены или опровергнуты; в этом случае предсказанные результаты могут быть неофициально обозначены как "теоретические". Эти предсказания могут быть проверены в дальнейшем, и в случае их несоответствия это может привести к пересмотру или отклонению теории. Как говорил Фейнман: "Неважно, насколько красива ваша теория, неважно, насколько вы умны. Если она не согласуется с экспериментом, она неверна."

Изменения и улучшения

Если наблюдаются экспериментальные результаты, противоречащие прогнозам теории, ученые в первую очередь оценивают обоснованность экспериментальной методологии, а если она признана корректной, то подтверждают результаты независимым воспроизведением. После этого начинается поиск потенциальных путей улучшения теории. Решения могут потребовать незначительных или существенных изменений в теории, либо не потребовать изменений вовсе, если в рамках существующей структуры теории удается найти удовлетворительное объяснение. Со временем, по мере накопления последовательных модификаций, теории последовательно совершенствуются и достигают большей предсказательной точности. Поскольку каждая новая версия теории (или принципиально новая теория) должна обладать большей объяснительной и предсказательной силой, чем предыдущая, научные знания становятся все более точными. Если модификации теории или альтернативные объяснения оказываются недостаточными для учета новых результатов, может потребоваться разработка новой теории. Поскольку научные знания, как правило, устойчивы, это происходит значительно реже, чем модификация. Однако, эта теория оставалась наилучшим объяснением до тех пор, пока теория относительности не была подтверждена достаточными доказательствами. Более того, хотя новые теории могут быть предложены как одним ученым, так и группой, цикл модификаций в конечном итоге включает в себя вклад множества исследователей. После внесения изменений, принятая теория будет объяснять больше явлений и обладать большей предсказательной силой (в противном случае изменения не были бы приняты); это новое объяснение, в свою очередь, будет подвержено дальнейшей замене или модификации. Если теория, несмотря на многократные проверки, не требует модификации, это свидетельствует о ее высокой точности. Это также означает, что общепринятые теории продолжают накапливать подтверждающие доказательства, и длительность периода, в течение которого теория (или любой из ее принципов) остается общепринятой, часто является показателем надежности ее доказательной базы.

Объединение

В некоторых случаях две или более теории могут быть заменены единой теорией, которая объясняет предыдущие теории как приближения или частные случаи, подобно тому, как теория представляет собой объединяющее объяснение для множества подтвержденных гипотез; это называется унификацией теорий. Например, электричество и магнетизм теперь известны как два аспекта одного и того же явления, называемого электромагнетизмом. Когда предсказания различных теорий кажутся противоречащими друг другу, это также разрешается либо дальнейшими доказательствами, либо унификацией. Например, физические теории XIX века предполагали, что Солнце не могло гореть достаточно долго для осуществления определенных геологических изменений, а также для эволюции жизни. Это было разрешено открытием ядерного синтеза, основного источника энергии Солнца. Противоречия также могут быть объяснены как результат приближения теорий к более фундаментальным (непротиворечивым) явлениям. Например, атомная теория является приближением к квантовой механике. Современные теории описывают три отдельных фундаментальных явления, все остальные теории являются приближениями к которым; потенциальная унификация этих явлений иногда называется «Теорией Всего». Специальная теория относительности предсказала согласование ньютоновского принципа галилеевой инвариантности, также называемой галилеевой теорией относительности, с электромагнитным полем. Исключив из специальной теории относительности светоносный эфир, Эйнштейн заявил, что замедление времени и сокращение длины, измеряемые в движущемся объекте, являются инерциальными – то есть объект демонстрирует постоянную скорость, которая представляет собой скорость с направлением, при измерении его наблюдателем. Таким образом, он воспроизвел преобразование Лоренца и сокращение Лоренца, которые были предложены для разрешения экспериментальных загадок и включены в электродинамическую теорию как динамические следствия свойств эфира. Элегантная теория специальной относительности дала собственные следствия, такие как эквивалентность массы и энергии, превращающихся друг в друга, и разрешение парадокса, согласно которому возбуждение электромагнитного поля может рассматриваться в одной системе отсчета как электричество, а в другой – как магнетизм. Эйнштейн стремился обобщить принцип инвариантности на все системы отсчета, будь то инерциальные или ускоряющиеся. Расширив эффекты специальной теории относительности на три измерения, общая теория относительности расширила сокращение длины до сжатия пространства, представляя 4-мерное пространство-время как гравитационное поле, которое геометрически изменяется и определяет пути всех локальных объектов. Даже безмассовая энергия оказывает гравитационное воздействие на локальные объекты, «искривляя» геометрическую «поверхность» 4-мерного пространства-времени. Однако, если энергия не огромна, ее релятивистские эффекты сжатия пространства и замедления времени пренебрежимо малы при простом предсказании движения. Хотя общая теория относительности признается более объяснительной теорией в рамках научного реализма, теория Ньютона остается успешной как чисто предсказательная теория в рамках инструментализма. Для расчета траекторий инженеры и NASA по-прежнему используют уравнения Ньютона, которые проще в использовании. Однако научные законы – это описательные отчеты о том, как природа будет вести себя при определенных условиях. Научные теории имеют более широкий охват и дают всеобъемлющие объяснения того, как работает природа и почему она проявляет определенные характеристики. Теории подкрепляются доказательствами из различных источников и могут включать один или несколько законов. Распространенное заблуждение заключается в том, что научные теории – это предварительные идеи, которые в конечном итоге перерастут в научные законы при накоплении достаточного количества данных и доказательств. Теория не превращается в научный закон с накоплением новых или лучших доказательств. Теория всегда останется теорией, закон всегда останется законом. И теории, и законы потенциально могут быть опровергнуты противоречащими доказательствами. Теории и законы также отличаются от гипотез. В отличие от гипотез, теории и законы могут просто называться научными фактами. Однако в науке теории отличаются от фактов, даже если они хорошо обоснованы. Например, эволюция – это и теория, и факт. Модель – это логическая структура, предназначенная для представления реальности («модель реальности»), подобно тому, как карта является графической моделью, представляющей территорию города или страны. В этом подходе теории – это конкретная категория моделей, отвечающих необходимым критериям (см. выше). Можно использовать язык для описания модели; однако теория – это сама модель (или набор подобных моделей), а не описание модели. Например, модель Солнечной системы может состоять из абстрактных объектов, представляющих Солнце и планеты. Эти объекты имеют связанные с ними свойства, например, положения, скорости и массы. Параметры модели, например, закон всемирного тяготения Ньютона, определяют, как положения и скорости изменяются со временем. Затем эту модель можно проверить, чтобы увидеть, насколько точно она предсказывает будущие наблюдения; астрономы могут проверить, соответствуют ли положения объектов модели со временем фактическим положениям планет. Для большинства планет прогнозы ньютоновской модели точны; для Меркурия они немного неточны, и вместо этого необходимо использовать модель общей теории относительности. Слово «семантический» относится к тому, как модель представляет реальный мир. Представление (в буквальном смысле «повторное представление») описывает определенные аспекты явления или характер взаимодействия между набором явлений. Например, масштабная модель дома или Солнечной системы, очевидно, не является фактическим домом или фактической Солнечной системой; аспекты фактического дома или фактической Солнечной системы, представленные в масштабной модели, лишь в определенных ограниченных отношениях являются представительными для фактической сущности. Масштабная модель дома – это не дом; но для того, кто хочет узнать о домах, аналогично ученому, который хочет понять реальность, достаточно детализированной масштабной модели может быть достаточно.

Различия между теорией и моделью

Несколько комментаторов отметили, что теории отличаются от моделей тем, что они не только описывают, но и объясняют явления, в то время как модели носят преимущественно описательный характер (хотя и обладают предсказательной силой в более узком смысле). Философ Стивен Пеппер также проводил различие между теориями и моделями, утверждая в 1948 году, что общие модели и теории базируются на "базовой" метафоре, которая ограничивает способы, которыми ученые разрабатывают теории и моделируют явления, и таким образом формируют проверяемые гипотезы. В инженерной практике различают "математические модели" и "физические модели"; стоимость изготовления физической модели можно минимизировать, предварительно создав математическую модель с помощью компьютерной программы, например, системы автоматизированного проектирования. Отдельные компоненты также моделируются, и задаются производственные допуски. Чертеж в разобранном виде используется для определения последовательности изготовления. Программы моделирования для отображения каждого из подсобранных узлов позволяют вращать и увеличивать детали в реалистичном изображении. Программные пакеты для создания спецификаций материалов для строительства позволяют субподрядчикам специализироваться на сборочных процессах, что распределяет стоимость производственного оборудования между несколькими заказчиками. См.: Инженерное проектирование с использованием ЭВМ, Автоматизированное производство и 3D-печать.

Предположения при формулировании теорий

Предположение (или аксиома) — это утверждение, принимаемое без доказательств. Например, предположения могут использоваться в качестве посылок в логическом аргументе. Исаак Азимов описывал предположения следующим образом: некорректно говорить о предположении как об истинном или ложном, поскольку не существует способа доказать его истинность или ложность (если бы такой способ был, это перестало бы быть предположением). Лучше рассматривать предположения как полезные или бесполезные, в зависимости от того, соответствуют ли выводы, сделанные на их основе, реальности. Поскольку мы должны с чего-то начинать, нам необходимы предположения, но пусть их будет как можно меньше. Определенные предположения необходимы для всех эмпирических утверждений (например, предположение о существовании реальности). Однако теории обычно не содержат предположений в общепринятом смысле (утверждений, принятых без доказательств). Хотя предположения часто включаются в процесс формирования новых теорий, они либо подкрепляются доказательствами (например, из ранее существовавших теорий), либо доказательства создаются в ходе проверки теории. Это может быть так просто, как наблюдение за тем, что теория делает точные прогнозы, что является свидетельством того, что любые сделанные в начале предположения верны или приблизительно верны в проверенных условиях. Общепринятые предположения без доказательств могут использоваться, если теория предназначена для применения только тогда, когда предположение справедливо (или приблизительно справедливо). Например, специальная теория относительности предполагает инерциальную систему отсчета. Теория делает точные прогнозы, когда предположение справедливо, и не делает точных прогнозов, когда предположение не справедливо. Такие предположения часто являются точкой, в которой более старые теории уступают место новым (общая теория относительности работает и в неинерциальных системах отсчета). Термин «принятие» фактически шире, чем его стандартное употребление, если рассматривать его этимологию. Оксфордский словарь английского языка (OED) и онлайн-Викисловарь указывают на его латинский источник — assumere («принимать, брать к себе, усваивать, узурпировать»), которое является соединением ad («к, в, при») и sumere («брать»). Корень сохранился, с измененными значениями, в итальянском assumere и испанском sumir. Первое значение слова «принимать» в OED — «принимать к себе, получать, принимать, усваивать». Изначально термин использовался в религиозном контексте, например, «воспринимать в небеса», особенно «восшествие Девы Марии на небеса с телом, сохраненным от тления» (1297 год нашей эры), но он также просто использовался для обозначения «принимать в ассоциацию» или «принимать в партнерство». Кроме того, другие значения assumere включали: (i) «наделять себя (атрибутом)», (ii) «предпринимать» (особенно в юриспруденции), (iii) «принимать на себя только внешне, притворяться, что обладаешь», и (iv) «предполагать, что что-то есть» (все значения из записи OED по слову «assume»; запись OED для «assumption» почти идеально симметрична по смыслу). Таким образом, «принятие» несет в себе иные ассоциации, чем современное стандартное значение «то, что принимается как должное; предположение, постулат» (лишь 11-е из 12 значений «принятия» и 10-е из 11 значений «assume»).

В физике

В физике термин "теория" обычно используется для обозначения математического формализма, выведенного из небольшого набора базовых постулатов (как правило, симметрий – таких как равенство положений в пространстве или во времени, или тождественность электронов и т.д.), способного делать экспериментальные предсказания для определенной категории физических систем. Классический электромагнетизм служит хорошим примером: он охватывает результаты, полученные из калибровочной симметрии (иногда называемой калибровочной инвариантностью) в виде нескольких уравнений, известных как уравнения Максвелла. Конкретные математические аспекты классической электромагнитной теории именуются "законами электромагнетизма", что отражает уровень согласованных и воспроизводимых доказательств, подтверждающих их. В рамках электромагнитной теории в целом существует множество гипотез о применении электромагнетизма к конкретным ситуациям. Многие из этих гипотез уже считаются достаточно проверенными, в то время как новые постоянно разрабатываются и, возможно, еще не проверены. Примером последней может служить сила реакции излучения. По состоянию на 2009 год ее влияние на периодическое движение зарядов обнаруживается в синхротронах, но лишь как усредненный эффект во времени. В настоящее время некоторые исследователи рассматривают эксперименты, которые могли бы наблюдать эти эффекты на мгновенном уровне (то есть, не усредненные во времени).