Hypotes, modell, teori och lag

Vid vanlig användning har orden hypotes, modell, teori och lag olika tolkningar och används ibland utan precision, men inom vetenskapen har de mycket exakta betydelser.

Det kanske svåraste och spännande steget är kanske utvecklingen av en specifik testbar hypotes. En användbar hypotes möjliggör förutsägelser genom att tillämpa deduktiv resonemang, ofta i form av matematisk analys. Det är ett begränsat uttalande om orsak och verkan i en specifik situation som kan testas genom experiment och observation eller genom statistisk analys av sannolikheterna från data erhålles. Resultatet av testhypotesen bör för närvarande vara okänt, så att resultaten kan tillhandahålla användbar information angående giltigheten av hypotesen.

Ibland utvecklas en hypotes som måste vänta på att ny kunskap eller teknik kan testas. Begreppet atomer föreslogs av antika greker, som inte hade några sätt att testa det. Århundraden senare, när mer kunskap blev tillgänglig, fick hypotesen stöd och accepterades så småningom av det vetenskapliga samhället, även om det har behövt ändras många gånger under året. Atomer är inte odelbara, som grekerna antog.

EN modell används för situationer då det är känt att hypotesen har en begränsning av dess giltighet. De Bohr-modell av atomenexempelvis avbildar elektroner som cirklar atomkärnan på ett sätt som liknar planeter i solsystemet. Denna modell är användbar för att bestämma energin i kvanttillståndet för elektronen i den enkla väteatomen, men den är inte på något sätt representerar atomens verkliga natur. Forskare (och naturstudenter) använder ofta sådant idealiserade modeller att få ett första grepp om analys av komplexa situationer.

EN vetenskaplig teori eller lag representerar en hypotes (eller en grupp relaterade hypoteser) som har bekräftats genom upprepade tester, nästan alltid genomförda under många år. I allmänhet är en teori en förklaring för en uppsättning relaterade fenomen, som evolutionsteorin eller Big Bang teorin.

Ordet "lag" åberopas ofta med hänvisning till en specifik matematisk ekvation som relaterar de olika elementen i en teori. Pascal's Law hänvisar till en ekvation som beskriver skillnader i tryck baserat på höjd. I den övergripande teorin om universell gravitation utvecklad av Sir Isaac Newton, nyckelekvationen som beskriver gravitationsattraktionen mellan två objekt kallas tyngdlagen.

Idag använder fysiker sällan ordet "lag" på sina idéer. Delvis beror detta på att så många av de tidigare "naturlagarna" visade sig inte vara så mycket lagar som riktlinjer, som fungerar bra inom vissa parametrar men inte inom andra.

När en vetenskaplig teori har etablerats är det mycket svårt att få den vetenskapliga gemenskapen att kasta bort den. I fysiken har begreppet eter som medium för ljusvågtransmission allvarlig motstånd i slutet av 1800-talet, men det bortses inte från förrän i början av 1900-talet, då Albert Einstein föreslog alternativa förklaringar för ljusets vågkaraktär som inte förlitade sig på ett medium för överföring.

Vetenskapsfilosofen Thomas Kuhn utvecklade termen vetenskapligt paradigm för att förklara den uppsättning teorier som vetenskapen arbetar under. Han gjorde omfattande arbete med vetenskapliga revolutioner som äger rum när ett paradigm välter till förmån för en ny uppsättning teorier. Hans arbete antyder att vetenskapens natur förändras när dessa paradigmer är väsentligt olika. Naturens fysik före relativitet och kvantmekanik skiljer sig grundläggande från den efter deras upptäckt, precis som biologi före Darwins teori om evolution skiljer sig grundläggande från biologin som följde den. Undersökningens natur förändras.

En konsekvens av den vetenskapliga metoden är att försöka upprätthålla konsekvens i utredningen när dessa revolutioner inträffar och undvika försök att störta befintliga paradigmer på ideologiska grunder.

En anmärkningsprincip när det gäller den vetenskapliga metoden är Occams rakkniv (växelvis stavat Ockham's Razor), som är uppkallad efter 1300-talets engelska logiker och Franciscan friar William av Ockham. Occam skapade inte konceptet - Thomas Aquinas verk och till och med Aristoteles hänvisade till någon form av det. Namnet tillskrevs först honom (till vår kunskap) på 1800-talet, vilket tyder på att han måste ha förespråkat filosofin nog så att hans namn blev associerat med det.

Rakkniv anges ofta på latin som:

entia non sunt multiplicanda praeter nödvändigt

eller översatt till engelska:

enheter bör inte multipliceras utöver nödvändighet

Occam's Razor indikerar att den mest enkla förklaringen som passar tillgängliga data är den som är att föredra. Antagande att två presenterade hypoteser har lika förutsägelseskraft, den som gör minst antaganden och hypotetiska enheter har företräde. Denna vädjan till enkelhet har antagits av det mesta av vetenskapen och åberopas i detta populära citat av Albert Einstein:

Allt ska göras så enkelt som möjligt, men inte enklare.

Det är viktigt att notera att Occam's Razor inte bevisar att den enklare hypotesen verkligen är den verkliga förklaringen av hur naturen beter sig. Vetenskapliga principer bör vara så enkla som möjligt, men det är inget bevis på att naturen i sig är enkel.

Det är emellertid i allmänhet fallet att när ett mer komplext system fungerar finns det en del av bevisen som passar inte den enklare hypotesen, så Occam's Razor är sällan fel eftersom den endast handlar om hypoteser av rent lika prediktiv kraft. Den prediktiva kraften är viktigare än enkelheten.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.