Postoji velik niz znanstvenih dokaza koji podupiru sliku šireg svemira i Velikog praska. Mali broj ulaznih parametara i velik broj uspjeha i predviđanja promatranja koji su naknadno provjereni jedan su od značajki uspješne znanstvene teorije. (NASA / GSFC)

Što razlikuje dobru znanstvenu teoriju od lošeg?

Postoji mnogo argumenata o tome što teoriju čini lijepom, elegantnom ili uvjerljivom. No, uz podatke, prediktivna snaga je sve.

Kada pogledate bilo koji fenomen u Svemiru, jedan je od glavnih ciljeva znanstvenog istraživanja razumjeti njegov uzrok. Ako vidimo da se nešto događa, želimo znati što se dogodilo. Kvantitativno, želimo razumjeti koji su se procesi odigrali i kako su prouzrokovali učinak točne veličine koju smo promatrali. I na kraju, želimo znati što očekivati ​​za sustave koje još nismo primijetili, te predvidjeti kakvo ćemo ponašanje vjerojatno vidjeti u novim situacijama s kojima ćemo se možda susresti u budućnosti. Možete pronaći desetke ideja, od profesionalnih fizičara do filozofa do amaterskih entuzijasta, ali većina njih čini lažne znanstvene teorije. Razlog? Jer jednostavno pretpostavljaju previše i predviđaju premalo. Postoji nauka kako to sve funkcionira.

Planeti Sunčevog sustava, prikazani na skali svojih fizičkih veličina, svi su u orbiti po određenim određenim pravilima. Shvaćanje tih pravila bilo je nešto što se postupno poboljšavalo, pri čemu je svaki korak naprijed objašnjavao više s manje pravila i slobodnim parametrima. (NASA)

Razmislite o našem Sunčevom sustavu. Planeti orbitiraju kroz nebo, uzimajući složene staze koje vidimo s našeg položaja na Zemlji. Kroz povijest je objavljeno mnogo objašnjenja koja objašnjavaju njihovo ponašanje, ovisno o načinu na koji gledate na problem. Iako su Ptolomej i Kopernik možda poznati po izlaganju dva glavna koncepta za modele, geocentričnog i heliocentričnog, ovo su samo modeli, a ne teorije. Zašto je to? Jer za svaku planetu koju uvedete nema pravila ili zakona koji reguliraju orbitaciju. Ovi modeli jednostavno navode da ako za Ptolomeja navedete ispravne parametre, poput ekvivalenta, branitelja i epica, možete opisati kretanje planete nebom.

Jedna od sjajnih zagonetki 1500-ih bila je kako su se planeti kretali na očito retrogradni način. To bi se moglo objasniti Ptolomejevim geocentričnim modelom (L) ili Kopernikovim heliocentričnim modelom (R). Međutim, ispravljanje preciznosti na proizvoljnu preciznost bilo je nešto što niko nije mogao učiniti. Koliko god oba ova dva modela bila zanimljiva, nijedan ne bi mogao reći puno ako su otkriveni drugi, novi planet. (Ethan Siegel / izvan galaksije)

Opisni model važan je korak, ali nije temeljita znanstvena teorija. Načela su sjajna polazišta, ali neće vas dovesti do kraja. Za to morate ići korak dalje: potreban vam je pravilo, zakon i / ili kvantitativni skup jednadžbi koji vam daju mogućnost predviđanja o stvarima koje još niste izmjerili. Keplerovi zakoni bili su prvi skok u tom smjeru. Nisu jednostavno precizno propisali oblike i putanje orbite (elipsa, sa Suncem u jednom fokusu), već su je počeli kvantitativno opisivati. Keplerov drugi zakon daje odnos između orbitalne brzine i relativne udaljenosti od Sunca, dok treći zakon daje odnos između orbitalnog razdoblja i poluosnove osi. Prvi put nije samo da se ponašanje moglo opisati pomoću skupa parametara, nego i predvidjeti.

Keplerove tri zakona da se planete kreću u elipsi sa Suncem u jednom fokusu, da oni istiskuju jednaka područja u jednakim vremenima i da je kvadrat njihovih razdoblja proporcionalan kocki njihovih polumjerenih osi, primjenjujući se jednako dobro na bilo koje gravitaciono sustav kao što to čine naš Sunčev sustav. (RJHall / Paint Shop Pro)

Newtonov zakon univerzalne gravitacije otišao je još dalje, omogućujući sve Keplerove zakone da se dobiju iz samo jedne jednadžbe: zakona gravitacije. Odjednom, kad biste znali mase i položaje objekata koje ste imali, mogli biste predvidjeti kako će se njihovi pokreti proizvoljno mijenjati daleko u budućnost. Predstavljao je ogroman skok naprijed: mogli ste dati nekome tko je razumio teoriju samo nekoliko parametara, poput masa i položaja, i oni mogu izračunati sve što želite znati o budućem ponašanju bilo koje mase u Svemiru. To je, ukratko, dobra znanstvena teorija.

Orbita Zemlje oko Sunca stvara gravitacijske valove, kao i sve mase koje se kreću i ubrzavaju u prisustvu gravitacijskog izvora. Sakrivanje prostornog vremena materije i energije znak je Einsteinove Opće teorije relativnosti. (T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab)

Einsteinova Opća relativnost otišla je nabolje: s obzirom na isti podatak koji ste dali nekome pod Newtonovom gravitacijom, ponovio bi sve uspjehe prethodne teorije, plus napravio je niz predviđanja koja su se očito razlikovala. Oni uključuju:

  • orbite Merkura i svih unutarnjih planeta,
  • vremensko kašnjenje svjetlosti koja putuje kroz gravitacijsko polje,
  • gravitacijsko crtanje pomicanja svjetlosti,
  • savijanje zvjezdane svjetlosti zbog intervencija prednjih masa,
  • efekti povlačenja okvira,
  • postojanje i svojstva gravitacijskih valova,

navesti samo nekoliko. U svakom režimu koji je stavljen na kušnju pokazalo se da je Einsteinova Opća relativnost uspješna.

Dok valovi kroz svemir koji proizlaze iz dalekih gravitacijskih valova prolaze kroz naš Sunčev sustav, uključujući Zemlju, oni se lagano sažimaju i proširuju prostor oko njih. Alternativa se može nevjerojatno čvrsto ograničiti zahvaljujući našim mjerenjima u ovom režimu. (Europski gravitacijski opservatorij, Lionel BRET / EUROLIOS)

Ovo se svodi na ključno obilježje onoga što je kasnije teorije učinilo ne samo uspješnijima, nego i uspješnijima od svojih prethodnika:

Dodavanjem najmanjeg broja novih, slobodnih parametara, može se objasniti i precizno predvidjeti najveći broj dosad neobjašnjivih pojava.

Zbog toga je Einsteinova opća relativnost tako uspješna i zašto su mnoge naše najveće teorije prihvaćene takve kakve jesu. Velika snaga znanstvene teorije je u njezinoj sposobnosti da kvantitativno daje predviđanja koja se mogu provjeriti ili poništiti eksperimentom ili opažanjima.

Četiri sudarajuća galaktička sudara, koja prikazuju razdvajanje između X-zraka (ružičasta) i gravitacije (plava), što ukazuje na tamnu tvar. Na velikim je mjestima CDM neophodan, ali na malim skalama nije uspješan sam po sebi koliko mi volimo. (X-zraka: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi i dr. Optički / Lensing: CFHT / UVic. / A. Mahdavi i dr. (Gore lijevo); X-zraka: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson i dr .; optički: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson i dr. (Gore desno); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italija) / CFHTLS (dolje lijevo); X -ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Kalifornijsko sveučilište, Santa Barbara) i S. Allen (Sveučilište Stanford) (dolje desno))

Zbog toga je ideja poput tamne materije tako moćna. Dodavanjem samo jedne nove vrste čestica - nečeg što je hladno, bez sudara i prozirnog prema svjetlu i normalnoj materiji - možete objasniti sve, od rotirajućih galaksija do kozmičkog weba, fluktuacije u pozadini mikrovalne, korelacije galaksija, sudaranje galaksijskih klastera, i puno, puno više. Zato su ideje s ogromnim brojem besplatnih parametara koje treba prilagoditi da bi se postigli pravi rezultati manje zadovoljavajuće i manje prediktivne. Ako možemo modelirati tamnu energiju, na primjer, sa samo jednom konstantom, zašto bismo izumili modele s više polja koji imaju mnogo više parametara koji nisu uspješniji?

Detaljan pogled na svemir otkriva da je načinjen od materije, a ne od antimaterije, da je potrebna tamna tvar i tamna energija i da ne znamo porijeklo bilo koje od tih misterija. Ako biste mogli objasniti, na primjer, tamnu energiju samo jednim novim parametrom, nema prednosti upotrebi složenijeg modela. (Chris Blake i Sam Moorfield)

Postoje razne vrste znanstveno zvučnih ideja, poput nedavno promoviranog Aeon-kozmopshizma, koji počinju s velikom idejom, ali za što je potrebno vrlo malo objasniti čitav niz novih fizika (i novih slobodnih parametara). Općenito, broj novih besplatnih parametara koje vaša ideja uvodi trebao bi biti daleko manji od broja novih stvari koje želi objasniti. Većina ljudi koji se pozivaju na Occamovu britvicu ne mogu je procijeniti na temelju ovog gotovo univerzalnog kriterija.

Univerzum s tamnom energijom (crveni), svemir s velikom nehomogenošću (plava) i kritičnim, svemirom bez tamne energije (zelena). Imajte na umu da se plava linija ponaša drugačije od tamne energije. Nove bi ideje trebale predvidjeti drugačija, vidljiva predviđanja od ostalih vodećih ideja. (Gábor Rácz i sur., 2017)

Sljedeći put kad naiđete na podebljanu novu ideju, zapitajte se koliko je novih besplatnih parametara tamo u usporedbi s vodećom teorijom koju želi zamijeniti ili proširiti: nazovite taj broj X. Zatim se zapitajte koliko dosad neobjašnjivih pojava tvrdi da objašnjava : nazovite taj broj Y. Ako je Y znatno veći od X, možda biste trebali istražiti nešto. Možda se bavite dobrom idejom. Ali ako ne, gotovo sigurno se bavite lošom znanstvenom idejom ili u najboljem slučaju nenaučnom. Velika snaga znanosti je u njezinoj sposobnosti da predvidi i objasni ono što vidimo u Svemiru. Ključno je učiniti to što jednostavnije, ali ne daljnje pojednostavljivanje.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.