Tieteellinen teoria

Tieteellinen teoria on hyvin perusteltu selitys ilmiölle, joka on saavutettu käyttäen tieteellistä menetelmää ja on toistuvasti vahvistettu havaintojen ja kokeiden kautta. Kuten enimmät (ellei kaikki) tieteelliset tiedon muodot, tieteelliset teoriat ovat luonteeltaan induktiivisia ja pyrkivät olemaan ennustavia ja selittäviä.
Tieteellisen teorian vahvuus riippuu sillä selitettävissä olevien ilmiöiden monimuotoisuudesta sekä sen tyylikkyydestä ja yksinkertaisuudesta (ks. Occamin partaveitsi). Sitä mukaa kun lisää tieteellistä todistusaineistoa kerääntyy, tieteellinen teoria voi tulla hylätyksi tai muutetuksi, jos se ei sovi uusiin empiirisiin havaintoihin – tämän kaltaisissa tilanteissa kaivataan täsmällisempää teoriaa. Tietyissä tapauksissa vähemmän täsmällistä ja muuttamatonta teoriaa voidaan edelleen käyttää teoriana, jos siitä on (pelkästään sen yksinkertaisuuden ansiosta) hyötyä approksimaationa tiettyjen olosuhteiden vallitessa (esim. mekaniikan peruslakien käyttö approksimaationa erityiselle suhteellisuusteorialle nopeuksilla, jotka ovat pieniä suhteessa valon nopeuteen).
Tieteelliset teoriat ovat koeteltavia ja tekevät falsifioitavia ennustuksia. Ne kuvaavat tietystä luonnollisesta ilmiöstä vastuussa olevia kausaalisia tekijöitä ja niitä käytetään selittämään ja ennustamaan fyysisen maailmankaikkeuden piirteitä tai tiettyjä tiedustelun alueita (esim. sähkö, kemia, tähtitiede). Tieteilijät käyttävät teorioita perustana uuden tieteellisen tiedon saavuttamiseksi sekä saavuttamaan teknologian keksimisen ja sairauden parantamisen kaltaisia päämääriä. Tieteelliset teoriat ovat luotetuin, täsmällisin ja kattavin tieteellisen tiedon muoto. Tämä eroaa suuresti “teoria” -termin yleisestä käytöstä, joka viittaa siihen, että jokin on perusteeton ja spekulatiivinen.

Teorioiden muodostuminen

Tieteelliseen menetelmään liittyy hypoteesien ehdottaminen ja testaaminen niin, että ensin ennustetaan hypoteesin perusteella tulevien kokeiden lopputulokset ja sitten tehdään kyseiset kokeet ennustusten todenperäisyyden tarkistamiseksi. Tämä tuottaa todistusaineistoa joko hypoteesin puolesta tai sitä vastaan. Kun riittävän paljon kokeellista aineistoa on kerääntynyt tietyllä tiedustelun alueella, tieteilijät voivat ehdottaa mahdollisimman suurta osaa aineistoa kattavaa, selittävää kehystä. Myös selitystä testataan. Jos selitys täyttää vaaditut kriteerit (ks. yllä), silloin selityksestä tulee teoria. Tämä voi viedä useita vuosia, koska riittävän todistusaineiston kerääminen voi olla vaikeata tai monimutkaista.
Sitten kun kaikki kriteerit täyttyvät, selityksestä tulee laajasti hyväksytty tieteilijöiden keskuudessa (ks. tieteellinen konsensus) parhaana mahdollisena selityksenä ainakin joillekin ilmiöille. Se olisi silloin tehnyt ennustuksia, joita edelliset teoriat eivät kyenneet selittämään tai eivät kyenneet ennustamaan täsmällisesti. Se olisi myös kestänyt väärentämisen yrityksiä. Tieteellinen yhteisö olisi arvioinut todistusaineiston vahvuutta ja lukuisat itsenäiset tutkijaryhmät olisivat toistaneet tärkeimmät kokeet.
Teorioiden ei tarvitse olla täydellisen täsmällisiä, jotta niistä olisi hyötyä. Esimerkiksi mekaniikan peruslakien tekemien ennustusten tiedetään olevan epätäsmällisiä suhteellisuusteorian alueella, mutta ne ovat lähes täysin oikeassa suhteellisen alhaisilla nopeuksilla. Kemiassa on olemassa useita teorioita happo-emäsreaktioille, kukin antaen hyvin erilaisen selityksen happojen ja emästen käyttäytymiselle, mutta kyseiset teoriat ovat silti erittäin hyödyllisiä kun ennustamme happojen ja emästen käyttäytymistä. Minkä tahansa tieteellisen tiedon tavoin, mikään teoria ei voi koskaan olla täysin varma, koska tulevat kokeet voivat olla ristiriidassa teorian tekemien ennustusten kanssa. Tästä huolimatta, tieteellisen konsensuksen tukemilla teorioilla on suurin varmuuden taso, jonka mikään tieteellinen tieto voi saavuttaa; esimerkkeinä se, että kaikki kappaleet ovat painovoiman vaikutuksen alaisia ja se, että kaikki elämä maapallolla on polveutunut yhteisestä esivanhemmasta.
Jos teoriaa tukee riittävän vahva todistusaineisto, se voidaan hyväksyä vaikka kaikkia sen tekemiä merkittäviä ennustuksia ei olisi testattu. Jotkut kokeet voivat esimerkiksi olla hyvin epäkäytännöllisiä tai teknisesti vaikeita toteuttaa. Tämän vuoksi teoriat voivat tehdä ennustuksia, joita ei ole vielä tarkistettu tai todistettu vääriksi; näissä tapauksissa, ennustettuja lopputuloksia voidaan kuvailla epävirallisesti sanalla "teoreettinen". Näitä ennustuksia voidaan testata myöhemmin. Jos ennustukset osoittautuvat vääriksi, tämä voi johtaa teorian korjaukseen tai sen hylkäämiseen.

Teorioiden muuttuminen ja kehittyminen

Jos teorian ennustuksien kanssa ristiriidassa olevia kokeellisia tuloksia havaitaan, tieteilijät ensin arvioivat oliko kokeen suunnitelma järkevä. Jos kokeen suunnitelmasta ei löydetä virheitä, tieteilijät yrittävät toistaa kokeet itsenäisesti. Tämän jälkeen aletaan etsiä tapoja, joilla teoriaa voitaisiin mahdollisesti parantaa. Ratkaisu voi vaatia pieniä tai suuria muutoksia teoriaan. Lopputuloksena voi myös olla, että teoriaa ei muuteta lainkaan jos tyydyttävä selitys löytyy teorian jo olemassa olevasta kehyksestä. Teorioista tulee ajan myötä parempia kun peräkkäiset muutokset rakentuvat toistensa päälle ja ne saavuttavat suuremman täsmällisyyden ennustamisen suhteen. Tieteellisestä tiedosta tulee siten ajan myötä täsmällisempää koska jokaisen teorian uuden version (tai täysin uuden teorian) täytyy olla ennustavampi ja selittävämpi kuin sitä edeltänyt versio.
Jos teoriaan tehdyt muutokset vaikuttavat riittämättömiltä uusien löydöksien selittämiseksi, silloin voidaan tarvita uusi teoria. Teorioiden korvaukset tapahtuvat kuitenkin paljon harvemmin kuin teorioiden muutokset koska tieteellinen tieto on yleisesti ottaen kestävää. Vanhaa teoriaa käytetään kuitenkin siihen asti kun uusi teoria on ehdotettu ja hyväksytty. Tämä on siksi koska se on edelleen paras tarjolla oleva selitys lukuisille muille ilmiöille; teorian ennustuskyky on varmennettu muissa konteksteissa. Esimerkiksi vuonna 1859 tiedettiin, että Merkuriuksen perihelin kiertyminen rikkoi mekaniikan peruslakeja, mutta teoria säilyi parhaana selityksenä kunnes yleiselle suhteellisuusteorialle kerääntyi riittävästi todistusaineistoa. Muutosten sykli johtaa siihen, että lukuisten eri tieteilijöiden panokset sisällytetään teoriaan ajan myötä vaikka sen olisi aluksi ehdottanut yksi tai useampi henkilö.
Muutosten jälkeen hyväksytty teoria kykenee selittämään useampia ilmiöitä ja sillä on suurempi ennustuskyky (jos sillä ei olisi, muutoksia ei olisi tehty); tämä uusi selitys on tämän jälkeen avoin uusille muutoksille tai korvaukselle. Jos teoria ei tarvitse muutoksia toistetuista kokeista huolimatta, tämä viittaa siihen, että teoria on hyvin täsmällinen. Tämä tarkoittaa myös, että hyväksytyt teoriat keräävät todistusaineistoa ajan myötä. Se kuinka pitkään teoria (tai mikä tahansa sen periaatteista) on hyväksytty viittaa sitä tukevan todistusaineiston vahvuuteen.