1.10 תיאוריות מדעיות

המדע מבוסס על תצפיות של עולם הטבע. כדי ליהנות מראיות מדעיות, התצפיות חייבות להיות כמותיות וניתנות לחזרה. לאחר מכן המדענים מחפשים סדר כלשהו באוסף נתונים שנאספו ועשויים להציג השערה שמטרתה להסביר את התבניות שחשפו מתוך הנתונים. הכלים המשמשים את המדענים בתהליך זה הם לוגיקה ומתמטיקה. אסטרונומים בונים תיאוריות מדעיות כדי להרחיב את הידע שלהם לגבי היקום. תיאוריה הזוכה ל"תקן הזהב" במדע; היא תיאוריה היוצרת מסגרת מושגית רחבה המאפשרת חקירה והסבר של מקרים רבים, ואמינותה עמדה במבחנים רבים.

חשוב להכיר בהבחנה בין השערה לתיאוריה. השערה הינה הסבר המוצע לקבוצת תצפיות. התצפיות אינן צריכות להיות נרחבות מאוד, וההשערה אינה צריכה לכסות מגוון רחב של תופעות פיזיקאליות. השערות הן אבני הבניין של המדע. מצד שני, תיאוריה חייבת להסביר מספר רב של תצפיות ולאחד אותן תחת רעיון אחד. תיאוריה היא כמו בניין שהושלם. כמו בניין הבנוי היטב, תיאוריה טובה תעמוד במבחן הזמן ותהיה בעלת מבנה לוגי ואלגנטי.

תוכלו להיתקל גם  במושג מודל בהקשר של התקדמות המדע. באופן כללי, ניתן להתייחס למודל כאל שם נרדף להשערה. מודל הוא ייצוג מתמטי של קבוצת תצפיות. בדיוק כמו מודל-צעצוע, מודל שכזה יכול להיות גרסה פשוטה ואידיאלית של העולם האמיתי. המדענים "ממדלים" את הנתונים שלהם – "למדל" הוא פועל – המתאר השערה המנוסחת  בדרך מתמטית  על בסיס הנתונים שנאספו כך שניתן לבחון עד כמה התיאור המתמטי מתאים לנתונים אלה.

לדוגמה, יוהנס קפלר למד את הנתונים המתארים את המסלולים של הפלנטות במערכת השמש. הוא מצא כי המסלולים לא היו מעגליים, כפי שחשב בעבר, והניח כי המסלולים הינם אליפטיים. אייזיק ניוטון השתמש בהשערת קפלר כדי לבנות את תורת הכבידה שלו. חוק הכבידה העולמי של ניוטון מקיף את כל שלושת חוקי קלפר – של התנועה הפלנטרית. התיאוריה של ניוטון הסבירה לא רק את מסלולי הפלנטות אלא גם את מסלולי השביט והאסטרואידים. למעשה, ניוטון הסביר את תנועתם של כל שני אובייקטים הסובבים זה סביב זה. תיאוריה רחבה יותר וישימה יותר מאשר השערה. בביולוגיה, התיאוריה של הברירה הטבעית מסבירה מגוון עשיר של מינים – פרחים, פטריות ובעלי חיים – במונחים של הסתגלות אבולוציונית לסביבה המשתנה כל הזמן. תיאוריה מדעית מוצלחת מראה לנו את האחדות בטבע.

מעבר לתיאוריה קיימים רעיונות שמכונים "חוקי הטבע". מה גורם לתיאוריה להיות חזקה מספיק כדי להפוך לחוק הטבע? אין תשובה נחרצת, אבל באופן כללי חוק הטבע הוא רעיון פיזי שעמד במבחן הזמן. במילים אחרות, זוהי תיאוריה שנבדקה בהצלחה שוב ושוב. חוקי התנועה של ניוטון למשל, מתאימים לתנועות של כל הגופים המכניים ומסייעים בתכנון של כל המכונות. חוקי התרמודינמיקה, שהומצאו לפני יותר מ -200 שנה, עוסקים בנושאי חום ואנרגיה והיו הבסיס להתפרצות המהפכה התעשייתית. רעיונות כאלה נבדקו בצורה יסודית כל כך, עד שמדענים סבורים שאין זה סביר שקיימת בהם טעות.

מדענים חייבים תמיד להיות מודעים למגבלות התיאוריות שלהם. לכל קבוצת נתונים יש יותר מאשר הסבר אפשרי אחד. זו הסיבה לכך שקיימות השערות סותרות, ומדוע אין המדענים מסכימים  תמיד  זה עם זה. אפילו בתצפית מדויקת ביותר יש כמה שגיאה או חוסר-ודאות הנלוות אליה. אם אין מדידות מושלמות,  לא יכולות להיות  בדיקות מושלמות לתיאוריה. כמו כן, הנתונים   שעמם עובדים מדענים תמיד  מוגבלים בדרך כלשהי. ניתן לערוך תצפיות חדשות שאינן תואמות את התיאוריה המקובלת. כאשר קיימים הסברים סותרים, הנתונים מוגבלים, איך ניתן לדעת האם יש לנו תיאוריה "טובה"? בדרך כלל מגיעים להסכמה לאחר שנים רבות של תצפיות ובדיקות.

תיאוריה טובה חייבת להיות ניתנת לבדיקה. במאה ה -18, מדענים הציעו כי ציפורים נודדות עוקבות אחר חוטים אלסטיים בלתי נראים כאשר הן נדדו למרחקים גדולים. זו לא השערה פורה מאוד. אם החוטים אינם ניתנים לזיהוי, לא ניתן לבדוק את הרעיון. לאחרונה, החוקרים הציעו כי הציפורים מצליחות לנווט על ידי תערובת של רמזים חזותיים ועל ידי חישה של שדות מגנטיים. רעיון זה נתמך בעובדה כי לציפורים נודדות (ובעלי חיים אחרים) יש ריכוז גבוה של מינרלים magnetite במוחם. מגנטיט מאפשר לציפורים לכוון את עצמן על ידי זיהוי שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ. באמצעות בדיקה, הפכה השערה זו  לתיאוריה מקובלת, למרות שניווט הציפורים היא תופעה מורכבת שנחקרת עדיין.

תיאוריה טובה חייבת להציג תחזיות אמינות. אנשים רבים מאמינים כי עב"מים הם חללית זרה שממשלת ארה"ב שומרת על סודיותה. הממשל אכן שומר על נושאים צבאיים רבים בסוד, אבל אין ראיות שנושאים אלה כוללים שבויים שנתפסו. רעיון זה אינו מועיל במיוחד משום שהוא אינו נותן תחזיות הניתנות לבדיקה, לגבי מקרים שיתרחשו בעתיד. מצד שני, מדענים מאמינים כי הדיווח על תצפיות רבות בעב"מים מייצג תופעות אסטרונומיות מובנות היטב. למשל בהתאם  לחיזוי התברר כי תצפיות בעב"מים  מגיעות לשיא בזמן  אירועים אסטרונומיים, כגון מטר מטאורים או   כאשר הנוגה  בהירה במיוחד. ניוטון השתמש בתיאוריה שלו בנושא כוח הכבידה כדי לחזות במדויק את מועד החזרה של השביט של האלי. אנו יכולים לראות בדוגמה אחת את כוחה של השיטה המדעית. הופעתו של שביט נתפסה לאורך ההיסטוריה כאירוע מיסטי, מקור פחד ואמונות הטפלות. ניוטון הראה כי המראה של כוכב שביט הוא אירוע קבוע מראש.

תיאוריה טובה צריכה להסביר מגוון רחב של תופעות. לעתים התיאוריה משנה כיוון כאשר נתונים חדשים מראים שהיא מתארת גרוע של העולם הטבע. פעמים אחרות, אנחנו מחליפים תיאוריה ישנה בתיאוריה טובה יותר שמסבירה תצפיות רבות יותר. בתחילת המאה העשרים, מדענים סברו כי תיאור פשוט של ​​אטומים ככדורים ביליארד  הוא מספק. תורת הקוואנטים הציעה תיאור טוב יותר של הטבע בקנה מידה תת-אטומי. בערך באותו זמן, איינשטיין הציג את תורת היחסות שלו, כאשר תיאר מצבים בהם כוח משיכה חזק יותר מאשר לפי התיאוריה של ניוטון. התיאוריות החדשות אינן חסרות תועלת. אנו יכולים להבין את התנהגות הגז בצורה מושלמת ללא שימוש בתיאוריית הקוונטים, והחללית אפולו נשלחה במדויק לירח תוך שימוש בחוקי הכבידה של ניוטון בלבד. אבל התיאוריות החדשות מספקות תצוגה מלאה יותר של הטבע.

ליבה  של השיטה המדעית נשען על תצפיות ובדיקת השערות. בפועל המדע יכול להיות מורכב מאוד, אבל קיימות הנחיות מדויקות המניעות את המפעל המדעי כולו. המדע הוא מאמץ הגיוני ושיטתי, אך אין להתעלם מחלקם של תובנה פתאומית, מזל והברקות   בגילויים מדעיים. ישנן דוגמאות רבות לחשיבותו של  הצד האנושי במדע – קיימים סיפורים של מסירות והשראה גם בהיסטוריה של האסטרונומיה.