نظریه ی علمی چیست؟

نظریه ی علمی خلاصه ای از فرضیه یا فرضیه هایی است که توسط آزمایش های مکرر تأیید می شوند. نظریه ی علمی نوع خاصی از نظریه است که در روش علمی مورد استفاده قرار می گیرد.

نظریه ی علمی خلاصه ای از فرضیه هایی است که توسط آزمایش های مکرر تأیید می شوند

جیمی تانر، پروفسور بیولوژی دانشگاه مارلبورو می گوید: طرز استفاده ی دانشمندان از کلمه ی «نظریه» با طرز استفاده ی عموم کمی فرق می کند. عموم مردم از کلمه ی «نظریه» به معنی یک ایده یا حدس استفاده می کنند، اما در علم «نظریه» به معنی تفسیر یا برداشتی است که ما از وقایع داریم.

روند به وجود آمدن یک نظریه علمی
تمام نظریه های علمی اول یک فرضیه بودند. کلمه ی «فرضیه» طبق دیکشنری وبستر ایده ای است که هنوز اثبات نشده. اگر مدارک کافی برای پشتیبانی از فرضیه وجود داشته باشد، در روش علمی این فرضیه به عنوان یک نظریه، یعنی توضیحی درست و قابل قبول برای آن پدیده شناخته می شود. تانر سپس توضیح می دهد که نظریه های علمی، چهار چوبی از مشاهدات و وقایع هستند. نظریه ها یا حتی تفسیر ما از آنها ممکن است تغییر کند، ولی خود وقایع تغییر نخواهند کرد.

تانر نظریه ها را به سبدی تشبیه می کند که دانشمندان مشاهدات خود و وقایع را در آن نگهداری می کنند. همان طور که دانشمندان به حقایق بیشتری دست می یابند، شکل سبد ممکن است تغییر کند. تانر در مصاحبه با لایو ساینس گفته: ما مدارک زیادی دال بر ویژگی هایی در صفات که در طول زمان شایع یا نادر شده اند داریم (تکامل)؛ پس تکامل یک واقعیت است اما نظریه های مربوط به تکامل و روش فکر کردن به وقایع و ارتباط دادن ِ آنها با یکدیگر ممکن است تغییر کند.

پایه های نظریه
دانشگاه کالیفرنیا، برکلی نظریه را یک توضیح گسترده و طبیعی برای بسیاری از پدیده ها تعریف می کند. نظریه ها مختصر، مرتبط به یکدیگر، اصولی، قابل پیش بینی و کاملاً مناسب هستند و عموماً از تکامل و یا تعمیم بسیاری از فرضیه ها به وجود می آیند. هر نظریه ی علمی باید بر پایه ی آزمایش های دقیق و منطقی وقایع  بنا شود. وقایع و نظریه ها دو مفهوم جدا از هم هستند و با هم فرق می کنند. در روش علمی تفاوت چشمگیری میان حقایق که مشاهده یا اندازه گیری می شوند و نظریه ها که توضیحات دانشمندان و تفسیری از وقایع هستند، وجود دارد.

بخش مهمی از نظریه های علمی شامل اظهاراتی است که نتایج قابل مشاهده ای دارند. یک نظریه ی خوب مثل نظریه ی گرانش نیوتن دارای پیوستگی مطالب است؛ یعنی شامل تعداد مشخصی استراتژی حل مسئله است که می توان از آنها برای بسیاری از رویدادهای علمی استفاده کرد. ویژگی دیگر یک نظریه ی خوب این است که نظریه از تعدادی فرضیه شکل گرفته باشد که هر کدام به طور مستقل قابل آزمایش باشد.

تکامل نظریه ی علمی
نظریه ی علمی جواب نهائی در روش علمی نیست. نظریه ها می توانند اثبات و یا مثل فرضیه ها رد شوند. همانطور که اطلاعات بیشتری جمع آوری می شود و دقت پیش بینی در طول زمان پیشرفت می کند، نظریه ها می توانند بهتر و اصلاح شوند. نظریه ها پایه های علم و دانش بیشتر و جدید هستند. اطلاعات جمع آوری شده به مرحله ی استفاده ی عملی می رسند و دانشمندان از نظریه ها برای پیشرفت اختراعات و یافتن راه درمان برای بیماری ها استفاده می کنند.

بعضی باور دارند نظریه ها به قوانین تبدیل می شوند، در حالی که در روش علمی، نظریه ها و قوانین نقش های کاملاً جدا و متفاوتی دارند. قانون شرحی از رویدادی که مشاهده شده، است و همیشه درست و قابل قبول می باشد. قانون توضیح نمی دهد که چرا چیزی درست است. فقط می گوید این درست است. در مقابل، نظریه اطلاعتی که در فرآیندهای علمی جمع آوری را توضیح می دهد. پس با اینکه نظریه و قانون هر دو جزئی از فرآیند علمی هستند مطابق انجمن ملی معلمان علم، دو جنبه ی کاملا ً متفاوت با یکدیگر دارند.

دوره حرکت سیاره به دور خورشید با فاصله سیاره تا خورشید تناسب دارد

قبل از شروع لیست، در مورد قانون علمی و نظریه‌ی علمی توضیحی خلاصه می دهیم تا بتوانید از این دو به درستی استفاده کنید و از جذابیت لیست هم کاسته نشود. قانون علمی عبارت از گزاره‌ای است که بر حسب مجموعه‌ای از شرایط (زمان، مکان، درجه حرارت، فشار و غیره) بر مبنای مشاهده و آزمایش (استقراء) تدوین و تعمیم یافته است. انطباق یا سازواری قانون با شرایط باید مشخص باشد و حد و مرز قانون باید به دقت تعیین شود. بدین معنا که قانون در کجا و تحت چه شرایطی اعتبار خود را از دست می‌دهد. قانون باید ساده، مطلق، تحقیق پذیر برای همگان و منطبق با واقع بوده و عمومیت داشته باشد. نظریه اصل کلی قابل قبول از نظر علم یا مجموعه‌ای از اصول است که برای تبیین پدیده‌ها تدوین یافته است. الگوئی که ناظر بر مشاهده بوده و پیچیده تر از قانون است و اغلب از مجموعه‌ای از چند قانون بهم مربوط تشکیل می‌شود.

این دو دارای نکات مشترکی هستند که عبارتند از: ۱٫ هر دو بر فرضیه‌های آزمون شده مبتنی هستند؛ ۲٫ هر دو مورد حمایت داده‌های عینی و تجربی زیادی هستند؛ ۳٫ هر دو از طرف اکثر دانشمندان یک رشته علمی خاص مورد قبول هستند؛ ۴٫ هر دو ابطال پذیرند و در صورت وجود شواهد و مدارک عینی و تجربی مخالف، باطل می‌شوند. (برگرفته از کتاب فلسفه علم، نوشته یوسف نراقی)

۱۰٫ نظریه مه بانگ یا انفجار بزرگ (Big Bang Theory)
اگر قرار است فقط یک نظریه علمی را یاد بگیرید، بهتر است آن را انتخاب کنید که توضیح می‌دهد جهان چگونه به وجود آمده است و به اینجا رسیده است. بر اساس تحقیقات ادوین هابل (Edwin Hubble)، آلبرت انیشتین (Albert Einstein) و ژرژ لومتر (Georges Lemaitre) و چندین دانشمند دیگر، نظریه بیگ بنگ ادعا می‌کند که جهان تقریبا ۱۴ میلیارد سال پیش با یک انفجار بزرگ به وجود آمد. در آن زمان جهان محدود به یک نقطه بود. پس از آن انفجار تا همین امروز جهان در حال انبساط و بزرگ‌تر شدن است. در سال ۱۹۶۵ میلادی با کشف تابش زمینه کیهانی (cosmic microwave background radiation)، مقبولیت این نظریه فراگیر شد. پس اگر کسی پرسید که انفجار بزرگ کجا رخ داده است، باید جواب داد: همه جا و هیچ جا! زیرا تازه با این انفجار است که زمان و مکان متولد می‌شود.

۹٫ قانون هابل برای انبساط کیهانی (Hubble’s Law of Cosmic Expansion)
طی دهه‌ی بیست قرن بیستم ادوین هابل ثابت کرد که کهکشان‌های دیگری هم غیر از راه شیری وجود دارند و در سال ۱۹۲۹ فرمولی ارائه داد که نشان می‌داد جهان با سرعتی ثابت که برای تمام زمان‌ها ثابت است، در حال گسترش است و آن کهکشان‌های دیگر، همواره در حال دور شدن از ما هستند.

قانون هابل اینطور بیان می‌شود: v = H0 D
V سرعت دورشدن کهکشان از ما است. D فاصله‌ی کهکشان است و  H0ثابت هابل است که در حال حاضر عدد ۷۰ است با واحد کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک است. پارسک یکی از واحدهای سنجش مسافت بین کهکشانی است و برابر با ۳٫۲۶ سال نوری است.

۸٫ قوانین کپلر (Kepler’s Laws of Planetary Motion)
در اواخر قرن هفدهم میلادی (سال‌های دهه‌ی ۱۶۹۰ میلادی) یوهانس کپلر آلمانی که خود مردی به شدت مذهبی بود، پس از سال‌ها مطالعه اجسام آسمانی در رصدخانه‌ی سلطنتی، مجبور شد نظر کوپرنیک در مورد خورشید مرکزی را بپذیرد و دست از این ایده بردارد که خورشید و سیارات دیگر دور زمین می‌چرخند.

قانون اول کپلر: مسیر حرکت سیارات به دور خورشید بیضی است.
قانون دوم کپلر: زمانی که سیاره به خورشید نزدیک‌تر است، نسبت به زمانی که دورتر است با سرعت بیشتری دور خورشید می‌چرخد.
قانون سوم کپلر: دوره حرکت سیاره به دور خورشید با فاصله سیاره تا خورشید تناسب دارد.
ارسال ماهواره‌ها و فضانوردان به فضا همگی با استفاده از قوانین کپلر صورت می‌گیرد.

۷٫ قانون جهانی گرانش (Universal Law of Gravitation)
در سال ۱۶۶۵ در انگلستان، نیوتون ۲۳ با دیدن سقوط یک سیب به این موضوع فکر کرد که نیروی گرانش زمین تا چه فاصله‌ای تاثیرگذار است. و ۲۲ سال بعد در کتاب «ریشه‌های ریاضی در فلسفه طبیعت» نتایج یافته‌هایش را منتشر کرد.

بنا بر این قانون، هر دو جسمی همواره همدیگر را جذب می‌کنند و مقدار این نیرو با جرم آن اجسام رابطه ی مستقیم و با مجذور فاصله‌ی آن دو جسم نسبت عکس دارد. به زبان ریاضی یعنی:
F= G m1m2/r2
در این معادله G ثابت جهانی گرانش است و از این معادله برای محاسبه‌ی نیروی گرانشی بین هر دو جسم ممکن استفاده می شود و در پرتاب ماهواره‌ها به مدار زمین نیز بسیار سودمند است.

۶٫ قوانین حرکت نیوتون (Newton’s Laws of Motion)
سه قانون حرکتی نیوتون پایه و اساس قسمتی از فیزیک مدرن را شکل داده‌اند.
قانون اول: اگر بر جسمی نیرو وارد نشود، یا ساکن می‌ماند یا با سرعت ثابت بر روی خط راست حرکت می‌کند.
قانون دوم: شتاب یک جسم برابر است با مجموع نیروهای وارده بر جسم تقسیم بر جرم آن.
قانون سوم: هرگاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیرویی با همان اندازه و در جهت مخالف به جسم اول وارد می‌کند.

۵٫ قوانین ترمودینامیک
چارلز پرسی اسنو، شیمی‌دان و رمان نویس انگلیسی قرن بیستم، گفته است که شخصی (غیر دانشمند) که قانون دوم ترمودینامیک را نداند، مثل دانشمندی است که شکسپیر نخوانده است!
ترمودینامیک شاخه‌ای از علم فیزیک است که به بررسی نسبت گرما و انرژی و کار می‌پردازد و در واقع به بررسی رفتار و خواص کلی سیستم‌ها می‌پردازد. مانند: فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و …

قانون صفرم: اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر در حال تعادلند. اساس ساخت دماسنج هم همین است. هوای بیرون با شیشه‌ی دماسنج در تعادل است. شیشه هم با جیوه‌ی داخل دماسنج در تعادل است، پس جیوه با هوا در تعادل است.

قانون اول: یا همان قانون بقای کار و انرژی: انرژی درونی یک سیستم منزوی، ثابت و پایدار است.
قانون دوم: امکان ندارد یک ماشین گرمایی، تمام انرژی را که طی یک چرخه از منبع گرم به دست می‌آورد به کار تبدیل کند. بلکه مقداری از این انرژی به صورت انرژی تلف شده به منبع سرد داده می‌شود. درواقع بازدهی ۱۰۰ درصد امکان ندارد.
قانون سوم: هنگامی که انرژی یک سیستم به حداقل مقدار خود میل کند، انتروپی (بی‌نظمی) سیستم به مقداری قابل چشم‌پوشی می‌رسد.

این مقدار زمانی صفر می‌شود که دما به صفر مطلق یعنی منفی ۲۷۳٫۱۵ برسد. نه در آزمایشگاه‌های پیشرفته و نه در هیچ جای کیهان، این دما وجود ندارد. البته در کیهان تا منفی ۲۷۰٫۴۲ درجه وجود دارد و در آزمایشگاه نیز تا یک میلیاردم درجه گرم‌تر از صفر مطلق هم رسیده‌ایم.

۴٫ اصل شناوری ارشمیدس (Archimedes’ Buoyancy Principle)
ارشمیدس وقتی وارد وان حمام شد، از بالا آمدن سطح آب فکری به ذهنش رسید و برهنه به بیرون دوید و فریاد زد: «یافتم، یافتم».
قانون ارشمیدس می‌گوید: هر سیالی به جسمی که در آن قرار گرفته است، نیروی شناوری وارد می‌کند. اندازه نیرو برابر وزن سیال جابه‌جا شده است.

وقتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح سیال شناور می‌ماند. ارشمیدس ۲۵۰ سال قبل از میلاد مسیح این قانون را کشف کرده است و تا همین امروز در طراحی کشتی و زیردریایی و … کاربرد اساسی دارد.

۳٫ فرگشت و انتخاب طبیعی (Evolution and Natural Selection)
تا اینجا از قوانین فیزیکی گفتیم و اینکه این جهان چگونه به شکل امروزی درآمده است. نظریه‌ی فرگشت و انتخاب طبیعی که چارلز داروین انگلیسی ۱۵۵ سال پیش در سال ۱۸۵۹ در کتاب «خاستگاه گونه‌ها» یا همان منشا انواع مطرح کرده است، نشان می‌دهد که انسان و سایر موجودات زنده چگونه به شکل امروزی درآمده‌اند.

وقوع فرگشت یعنی که تمام موجودات زنده از نیاکانی مشترک پدیدار گشته‌اند. نیای مشترک جانداران کنونی، ۳٫۵ میلیارد سال (زمان پیدایش حیات بر روی زمین) قدمت دارد.

انتخاب طبیعی فرایندی است که در طی نسل‌های پیاپی سبب شیوع آن دسته از صفات ارثی می‌شود که احتمال زنده ماندن و موفقیت زادوولد یک موجود زنده را در بین یک جمعیت افزایش می‌دهد.

با وجود مخالفت‌های عقیدتی که با این نظریه می‌شود، نظریه فرگشت یکی از مستحکم‌ترین اصول علمی است و تا به حال هیچ مدرک خلاف این اصل پیدا نشده است.

۲٫ نظریه نسبیت عام (Theory of General Relativity)
آلبرت انیشتین مابین سال‌های ۱۹۰۷ و ۱۹۱۵ این نظریه را گسترش داد و برای همیشه نگاه ما به جهان را متحول کرد. انیشتین می‌گوید که فضا و زمان مطلق نیستند و گرانش نیز فقط نیرویی نیست که اجسام بر یکدیگر وارد می‌کنند بلکه گرانش با هر جرمی که مرتبط باشد، زمان و فضای اطراف را خم می‌کند!

یک شاتل فضایی را در نظر بگیرید که در مدار زمین به دور زمین می‌چرخد و برای ساکنان آن شاتل اینگونه به نظر می‌رسد که بر روی یک خط راست در فضا به پیش می روند. در واقعیت اینگونه است که به علت جاذبه‌ی زمین یا بهتر است بگوییم به علت زمین، فضا-زمان اطراف آنها به سمت زمین خم شده است و با وجود اینکه در خطی مستقیم حرکت می‌کنند ولی درواقع در مدار زمین هستند.

۱٫ اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (Heisenberg’s Uncertainty Principle)
نسبیت عام انیشتین بستری برای فیزیک کوانتوم فراهم کرد و این حس را القا کرد که قوانین عالم در بعضی بسترهای خاص، انعطاف پذیر می‌شوند. در این شرایط بود که هایزنبرگ کشف بزرگش را انجام داد.

اصل عدم قطعیت می‌گوید که نمی‌توانیم دو مشخصه‌ی تکانه و مکان را برای یک جسم، در آن واحد با دقتی کامل به دست بیاوریم. یعنی افزایش دقت در کمیت یکی از این خواص مترادف با کاهش دقت در کمیت مشخصه‌ی دیگر است.

در مکانیک کوانتوم، یک ذره به وسیله‌ی بسته‌ی موج شرح داده می‌شود. طبق معادلات (در مورد مشخصه‌ی مکان) ذره می‌تواند در هر مکانی که دامنه‌ی موج صفر نیست وجود داشته باشد و این یعنی عدم قطعیت مکان ذره.

بعدها نیلز بور (Niels Bohr) کشفی کرد که توضیح اصل هایزنبرگ را ساده‌تر کرد. بور فهمید که یک الکترون هم خواص ذره را دارد و هم خواص موج را دارد. وقتی مکان یک الکترون را می‌سنجیم، الکترون ذره است زیرا مثل یک جرم مشخص در نقطه‌ای مشخص از فضا به آن نگاه می‌کنیم و وقتی تکانه (momentum) آن را می‌سنجیم، با آن مثل موج برخورد می‌کنیم یعنی می‌توانیم دامنه‌ی طول موج‌ آن را بفهمیم نه مکان آن را.