科学理论

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

科学理论是一种解释,它按照科学方法来阐述自然界中某方面事物的原因,即可以反复实验英语Reproducibility,并需使用一个预定义的观察实验协议英语Protocol (science)[1][2]已建立的科学理论是经得起严格检验的,也是科学知识的广泛形式。[3]

特别需要注意的是,某学科英语Branches of science中使用的“科学理论”(下简称“理论”)定义明显不同于通常语言中使用的“理论”一词。[4][Note 1]在日常的(非科学的)讲话中,“理论”可能意味着某事是未经证实的、思考出来的猜测、猜想、想法,或者假设;[4]这种使用方式与科学中的“理论”恰恰相反。这些用法的不同可以比较出来,而且往往是相对的。“预测”这个词在科学中的用法也与日常对话中不同,表示只不过有希望。

科学理论的强大体现在它能解释的现象的多样性。当收集到更多的科学证据英语Scientific evidence时,一个科学理论如果不能解释新发现的实际情况,它可能会被否定或修正;在这种情况下,就需要一个更准确的理论。在某些情况下,不精确的、未经修正的科学理论仍然可以被视为一个理论,如果它在特定条件下作为一个近似是有用的(由于其纯粹的简单性,例如,牛顿运动定律作为狭义相对论在速度远小于光速时的一个近似)。

科学理论具有可测试性,且能做可证伪性预测[5]他们描述因果关系的原理,负责解释特定的自然现象,同时用来解释和预测物理宇宙或调查的特定领域(例如,电学、化学、天文学)的方方面面。科学家将理论作为基础,以获得进一步的科学知识,或者实现目标,比如发明技术或治疗疾病

与其它形式的科学知识一样,科学理论本质上既是演绎推理,又是归纳推理[6][7]其目标在于预测能力英语predictive power解释能力英语Explanatory power

古生物学家、演化生物学家和科学史学家史蒂芬·古尔德说:“……事实和理论是不同的东西,而非一个增长的层级关系中的不阶层级。事实是世界的数据。而理论是解释事实的概念体系。”[8]

类型[编辑]

阿尔伯特·爱因斯坦将科学理论分为两种:“建设性理论”和“基本理论”。建设性理论是对现象的建设性模型,如动能。基本理论则是经验概括,如牛顿三大运动定律。[9]

特征[编辑]

基本标准[编辑]

通常,任何理论若要为学术界广泛接受,都需要一个简单的标准。基本的标准是,该理论必须是可观测的和可重复的。上述标准是必要的,否则无法防止欺诈和保持科学自身的长久发展。

20世纪后期被标在地图上的全球构造板块。板块构造理论成功地解释了无数关于地球的现象,包括地震、山区、大陆和海洋的分布。

所有科学知识,包括理论,最典型的特征是,可证伪性或可检验的预测能力英语Predictive power。这些预测的关联性和特异性,决定了理论有多大的潜在用途。不能作出可观测的预测的理论理论,压根就不是一个科学理论。如果预测不能具体到可以测试的程度,也同样没用。在这两种情况下,就不适合使用“理论”一词。

一个知识描述体,如果符合以下标准,就可以称为理论:

  • 它的可证伪性预测,在广泛的科学调查中具有始终如一的准确性(例如力学)。
  • 许多独立的证据都能够很好地支持它,而不是单一的依据。
  • 它是否与先前存在的实验结果相一致,并且它的预测至少与任何先前存在的理论同样精确。

已经建立的理论无疑具备了这些品质,如狭义相对论广义相对论量子力学板块构造论现代演化综论,等等。

其它标准[编辑]

此外,科学家们更喜欢用于工作的理论,符合以下特质:

  • 它可以进行小的调整,以解释新发现的不完全符合它的数据,从而随着时间的推移增加其预测能力。
  • 它是一个最简洁的解释,使用最少的假设、最少的解释步骤,即符合奥卡姆剃刀原理。这是因为,对于现象的每一个合理解释,都会有非常大量、甚至可能是无限的、具有可能性的、并且更复杂的替代解释。但是越复杂的理论就会碰到越多的无法解释的特例假设,以致于该理论不得不作出修正,这就会使人感到烦扰;因此,简单的理论比复杂的更可取,因为它们更加可测英语Test method[10][11][12]

来自科学组织的定义[编辑]

美国国家科学院对科学理论的定义如下:

对“理论”的正式的科学的定义,与该词日常的含义完全不同。它指的是对自然界某些方面的综合解释,它需要通过大量的证据来支持。许多科学理论建立得非常好,并没有新的证据跳出来动摇它们的根基。例如,没有新的证据表明,地球不是绕着太阳转的(日心说),或者生物不是由细胞构成的(细胞学说),或者物质不是由原子构成的,或者地球表面不是由分割的、在地质时间尺度上移动的板块构成的(板块构造理论)……科学理论最有用的性质之一是,它们可以被用来对尚未观测到的自然事件或现象作出预测。[13]

来自美国科学促进会的定义:

科学理论是经过充分证实的对自然界某些方面的解释,这需要通过观察与实验,对事实进行反复确认。这种由事实支撑的理论就不再是“猜测”,而是可靠的对现实世界的解释。生物进化理论并不“只是一个理论”。它是对宇宙的真实解释,就如同物质的原子理论或疾病的细菌理论。我们理解万有引力的工作仍在进行中。但万有引力现象,就象进化论一样,已经是公认的事实。

注意“理论”一词并不适合描述未经测试、但复杂的假设或科学模型英语Scientific modelling

形成[编辑]

罗伯特·胡克使用早期的显微镜第一次观察到的细胞[14]这引领了细胞学说的发展。

科学方法涉及假说的提出,以及对它的检验。通过假说可以对未来的实验结果作出预测,然后通过这些实验来检验该预测是否正确。这为支持或反对该假设提供了证据。如果在一个特定的调查领域中,已经收集了足够的实验结果,科学家们就可能会提出一个解释性框架,以解释尽可能多的结果。这种解释也会被检验,如果能满足必要的标准(如上),解释就成为了理论。这可能需要许多年,因为收集足够的证据可能会很困难或很复杂。

一旦所有的条件都已满足,它将被科学家们广泛接受(参见科学共识),至少能作为对某些现象有效的最佳解释。它将能预测以前的理论不能解释或不能准确预测的现象。另外还必须防止伪造,科学界会对证据的强度进行评估。而最重要的实验,会由多个独立团体来复现。

理论并不需要绝对精确,这对科学同样有用。例如,我们已经知道,经典力学的预测在相对论领域并不准确,但在常人相对低速的经验中,它们几乎完全正确。[15]化学中,有许多酸碱理论对酸性和碱性化合物的基本性质,提供了完全不同的解释,但它们对于预测化学行为非常有用。像所有的科学知识一样,没有理论能具有完全的确定性,因为未来的实验有可能与理论的预测相冲突。[16]然而,科学界一致支持的理论,在科学知识中具有最高级别的确定性;例如,所有物体都会受到引力,或地球上的所有生命都是从一个最后共同祖先进化而来的。[17]

接纳一个理论,并不要求测试其所有的主要预测,如果它已经被强有力的证据所支持。例如,某些试验可能难以实施或者存在技术困难。因此,理论作出的预测,可能尚未被确认或被证明不正确;在这种情况下,预测结果可能会被非正式地描述为“理论上”的。这些预测可以在稍后的时间测试,如果它们不正确,可能导致理论被修改或否定。

修正与改进[编辑]

如果观测的实验结果与理论的预测相反,科学家们首先评估实验的设计是否已考虑周到,如果是,他们通过独立复现英语Reproducibility来确认结果。先在理论本身寻找潜在的改进方法,然后开始改进。解决方案可能要求对理论有较小的或重大的改变,如果可以通过理论的现有框架发现一个令人满意的解释,则根本不需要改变。[18]随着时间的推移,理论在之前的基础上持续改进,从而得到了更高的预测精度。由于理论的每个新版本(或一个全新理论)必然比之前的理论具有更高的预测和解释能力,科学知识总是能持续变得越来越准确。

如果对理论或其它解释的修改看起来并不足以解释新的结果,那可能就需要一个新的理论了。由于科学知识通常是持久的,发生这种情况通常比修改要少得多。[16]此外,在这样的理论被提出和接受以之前,将保留旧有理论。这是因为,对于很多其它现象,它仍然是最佳的有效解释,这已经被它在其它情形下的预测能力所验证。例如,1859年观测到,水星轨道近日点的进动违反了牛顿力学,[19]但在有足够的证据支持相对论之前,该理论仍然提供了最好的解释。而且,可能新理论虽然由一人或多人提出,但其修改周期最终结合了许多不同科学家的贡献。[20]

改进后,被接受的理论将能解释更多的现象,并具有更强的预测能力(如果没有,该改变就不会被接纳);然后这一新的解释将被进一步替换或修改。如果一个理论经得起反复试验,而不需要修改,就表明该理论非常准确。这也意味着被接受的理论随着时间的推移不断积累证据,并且一个理论(或其任何原理)被接受的时间越长,往往表明其支撑证据越有力。

统一[编辑]

量子力学中,原子的电子占据着原子核周围的轨道。该图展示了一个原子的轨道(s、p、d)在三个不同能级(1、2、3)的形态。较亮的区域对应于较高的出现概率。

在某些情况下,两个或多个理论可能会被一个新的单一理论所代替。该新理论可以将先前的理论作为对新理论的近似,或新理论的特殊情况。这与用一个理论对多个已证实的假说进行统一解释的方式相类似,被归为统一理论。[21]例如,现在已经知道是同一现象的两个方面,该现象被称为电磁学[22]

当不同理论的预测互相矛盾时,解决方法通常是找到更多证据,或进一步统一。例如,19世纪的物理理论暗示,太阳燃烧的时间,不足以支撑到某些地质变化,或者生命进化。后来发现的核聚变解决了这一问题,这才是太阳的主要能源。[23]矛盾也可以由更接近本质(非矛盾)现象的理论来解释。例如,原子理论是对量子力学的近似。目前的理论描述了三种独立的基本相互作用,所有其它理论都是对它们的近似;[24]而潜在的、统一这三种基本相互作用的理论,有时被称为万有理论[21]

例子:相对论[编辑]

1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论原理,并很快变成了一种理论。[25]狭义相对论预言了伽利略不变性英语Galilean invariance(又称“伽利略相对性”)的牛顿原理,与电磁场的统一。[26]狭义相对论抛弃了以太的概念,爱因斯坦说,相对运动的物体被测量出的时间膨胀长度收缩惯性的——也就是说,当观察者测量的时候,物体表现出恒定的速度,包括其快慢方向。他因此同样得到了洛伦兹变换长度收缩,而这已经成为解决实验之谜的猜想,并作为以太性质的动力学推论,被纳入电动力学理论。优雅的理论——狭义相对论得出了它自己的推论,[27]质能等价和解决一个悖论——电磁场的激发,可以在一个参照系中被视为电场,而在另一个参照系中被视为磁场。

理论与定律[编辑]

定律和科学理论都是从科学方法得出的,都要通过形成和对假说的检测阶段,都可以对自然世界的行为作出预测。

关于理论[编辑]

作为公理的理论[编辑]

逻辑实证主义认为科学理论是形式语言的一种陈述。

作为模型的理论[编辑]

理论的语义观点英语Semantic view of theories确定,科学理论是模型英语Scientific modelling而不是命题

理论与模型间的差异[编辑]

一些评论者[28]指出,理论的特征是,它们是解释性的也是描述性的,而模型只是描述性的(尽管在更有限的意义上仍具有预测性)。

理论阐述中的假设[编辑]

假设(或公理)是被接受但没有证据的陈述。

描述[编辑]

来自科学哲学家[编辑]

卡尔·波普尔这样描述科学理论的特征:[5]

  1. 容易被证实或查证。几乎每个理论都是这样,只要我们寻求证实。
  2. 只有当预测的结果危险时,才通过计算来确认;也就是说,如果对于尚未确认的理论,我们应当期望一个不符合理论的结果,因为这一结果可以驳斥该理论。
  3. 每个“好的”科学理论都在禁止:禁止某些事情发生。禁止的事情越多,理论就越好。

类推和隐喻[编辑]

科学理论的概念也会使用类推和隐喻来描述。

物理学[编辑]

物理学中,“理论”一词通常被用于数学框架——从少数基本公理(往往是对称的,如空间或时间中位置的平等性,或者电子的同一性等)推导出来——这能够对指定类型的物理系统作出可检验的预测。

举例[编辑]

注意,许多研究领域并没有为理论具体命名,例如发育生物学

扩展阅读[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 按照美国国家科学院2008年的说法:正式的科学中对理论的定义完全不同于该词汇在日常的含义。
  1. ^ 科学与创造论:国家科学院的观点,介紹. 美国国家科学院. 1999 [2017-07-26] (英语). 
  2. ^ 《斯坦福哲学百科全书》中的“科学理论结构” (英语). 
  3. ^ 沙夫曼, 史蒂文·D. 科学简介 (英语). 
  4. ^ 4.0 4.1 来自国家科学院的进展资源. 美国国家科学院. 2008 [2017-07-26] (英语). 
  5. ^ 5.0 5.1 卡尔·波普尔. Conjectures and Refutations [猜想和反驳]. 伦敦: 罗德里奇. 1963 (英语). 
    重印于:希欧多尔·希克英语Theodore Schick. Readings in the Philosophy of Science [科学哲学读本] 2000. 山景城 (加利福尼亚州): Mayfield Publishing Company (英语). 
  6. ^ 科学方法 (PDF). [2017-07-27] (英语). 
  7. ^ 安德森, 汉娜和赫伯恩, 布莱恩. 爱德华·N·扎尔塔, 编. 科学方法. 斯坦福哲学百科全书 2015年冬季版 (英语). 
  8. ^ 多佛的魔鬼英语The Devil in Dover》, p. 98
  9. ^ https://plato.stanford.edu/entries/einstein-philscience/#PriTheTheDis
  10. ^ Alan Baker. Simplicity. Stanford Encyclopedia of Philosophy [斯坦福哲学百科]. 加利福尼亚: 斯坦福大学. 2010 [2004]. ISSN 1095-5054 (英语). 
  11. ^ Courtney A, Courtney M. Comments Regarding "On the Nature Of Science" (PDF). Physics in Canada. 2008, 64 (3): 7–8 [2012-08-01] (英语). 
  12. ^ Elliott Sober. Let's Razor Occam's Razor [让我们来剃奥卡姆剃刀]. (编) Dudley Knowles. Explanation and Its Limits [解释及其限制]. Cambridge University Press. 1994: 73–93 (英语). 
  13. ^ Science, Evolution, and Creationism [科学、进化论与神创论]. 美国国家科学院. 2008 (英语). 
  14. ^ Hooke, Robert (1635–1703).
  15. ^ Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald (1973).
  16. ^ 16.0 16.1 American Association for the Advancement of Science, Project 2061 [美国科学促进会,2061工程] (英语). 
  17. ^ 参见共同起源演化的证据
  18. ^ 例如,参见条目海王星的发现英语Discovery of Neptune;该发现基于天王星的轨道与牛顿力学的预言存在明显差异。
  19. ^ U. Le Verrier. Lettre de M. Le Verrier à M. Faye sur la théorie de Mercure et sur le mouvement du périhélie de cette planète 49. Paris: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. 1859: 379–83 (法语). 
  20. ^ 例如,现代进化综论结合了 R·A·费希尔恩斯特·迈尔J·B·S·霍尔丹,及其他多人的重大贡献。
  21. ^ 21.0 21.1 Weinberg S (1993).
  22. ^ Maxwell, J. C., & Thompson, J. J. (1892).
  23. ^ John N. Bahcall. How the Sun Shines [太阳如何闪耀]. nobelprize.org (英语). 
  24. ^ 强相互作用弱电相互作用万有引力。而弱电相互作用又是电磁相互作用弱相互作用的统一。所观察到的所有相互作用,都可以被理解为由这三种机制中的一种或多种所产生的。但是多数系统都过于复杂,难以直接用这些机制来解释,只能使用由它们不断近似而得到的其它一些理论。
  25. ^ 阿尔伯特·爱因斯坦. Zur Elektrodynamik bewegter Körper (PDF). Annalen der Physik. 1905, 322 (10): 891–921. Bibcode:1905AnP...322..891E. doi:10.1002/andp.19053221004 (德语). 
    中文版:《论动体的电动力学
  26. ^ Schwarz, John H. Recent developments in superstring theory [超弦理论的近期发展]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1998年3月, 95 (6): 2750–57. PMC 19640. PMID 9501161. doi:10.1073/pnas.95.6.2750 (英语). 
  27. ^ 参见狭义相对论的实验验证。另外,例如:西德尼·科尔曼; 谢尔登·格拉肖. Cosmic Ray and Neutrino Tests of Special Relativity [宇宙射线和狭义相对论的中微子实验]. 物理快报. 1997, B405: 249–52 (英语).  这里可以看到概述
  28. ^ 例如,Reese和Overto(1970);Lerner(1998);以及Lerner和Teti(2005),在为人类行为建模时。