Es gibt eine große Reihe wissenschaftlicher Beweise, die das Bild des expandierenden Universums und des Urknalls stützen. Die geringe Anzahl von Eingabeparametern und die große Anzahl von Beobachtungserfolgen und Vorhersagen, die anschließend verifiziert wurden, gehören zu den Kennzeichen einer erfolgreichen wissenschaftlichen Theorie. (NASA / GSFC)

Was unterscheidet eine gute wissenschaftliche Theorie von einer schlechten?

Es gibt viele Argumente darüber, was eine Theorie schön, elegant oder überzeugend macht. Aber angesichts von Daten ist Vorhersagekraft alles.

Wenn Sie sich ein Phänomen im Universum ansehen, ist es eines der Hauptziele der wissenschaftlichen Forschung, seine Ursache zu verstehen. Wenn wir sehen, dass etwas passiert, wollen wir wissen, warum es passiert ist. Quantitativ möchten wir verstehen, welche Prozesse abliefen und wie sie den Effekt der exakten Größe verursachten, die wir beobachteten. Schließlich möchten wir wissen, was wir von Systemen erwarten können, die wir noch nicht beobachtet haben, und Vorhersagen darüber treffen, welches Verhalten in neuartigen Situationen in Zukunft wahrscheinlich ist. Sie können ein Dutzend Ideen finden, von professionellen Physikern über Philosophen bis hin zu Amateurenthusiasten, aber die meisten von ihnen machen miese wissenschaftliche Theorien. Der Grund? Weil sie einfach zu viel annehmen und zu wenig vorhersagen. Es ist eine Wissenschaft, wie das alles funktioniert.

Die Planeten des Sonnensystems, dargestellt in der Größenordnung ihrer physischen Größe, kreisen alle nach bestimmten Regeln. Das Herausfinden dieser Regeln wurde schrittweise verbessert, wobei mit jedem Schritt mehr mit weniger Regeln und freien Parametern erklärt wurde. (NASA)

Betrachten Sie unser Sonnensystem. Die Planeten kreisen durch den Himmel und nehmen die komplexen Pfade, die wir von unserem Standort auf der Erde aus sehen. Im Laufe der Geschichte wurden viele Erklärungen abgegeben, um ihr Verhalten zu erklären, je nachdem, wie Sie das Problem betrachten. Während Ptolemäus und Kopernikus vielleicht dafür berühmt sind, die beiden Hauptkonzepte für Modelle hervorzubringen, geozentrisch und heliozentrisch, sind dies nur Modelle, keine Theorien. Warum ist das? Denn für jeden Planeten, den Sie einführen, gibt es keine Regeln oder Gesetze, die dessen Umlaufbahn regeln. Diese Modelle geben lediglich an, dass Sie die Bewegung eines Planeten durch den Himmel beschreiben können, wenn Sie die richtigen Parameter wie Äquivalente, Deferente und Epizyklen für Ptolemäus angeben.

Eines der großen Rätsel des 16. Jahrhunderts war die scheinbar rückläufige Bewegung der Planeten. Dies könnte entweder durch Ptolemäus 'geozentrisches Modell (L) oder durch Copernicus' heliozentrisches Modell (R) erklärt werden. Es war jedoch nicht möglich, die Details auf willkürliche Genauigkeit zu bringen. So interessant diese beiden Modelle auch sind, keiner hätte viel zu sagen, wenn ein anderer, neuer Planet entdeckt würde. (Ethan Siegel / Jenseits der Galaxis)

Ein deskriptives Modell ist ein wichtiger Schritt, aber keine vollwertige wissenschaftliche Theorie. Prinzipien sind ein guter Ausgangspunkt, aber sie bringen Sie nicht bis zum Ende. Dazu müssen Sie noch einen Schritt weiter gehen: Sie benötigen eine Regel, ein Gesetz und / oder einen quantitativen Satz von Gleichungen, mit denen Sie Vorhersagen über Dinge treffen können, die Sie noch nicht gemessen haben. Keplers Gesetze waren der erste Sprung in diese Richtung. Sie haben die Formen und Pfade der Umlaufbahnen (Ellipsen mit der Sonne als Fokus) nicht nur genau beschrieben, sondern sie auch quantitativ beschrieben. Keplers zweiter Hauptsatz gibt die Beziehung zwischen der Umlaufgeschwindigkeit und der relativen Entfernung von der Sonne an, während der dritte Hauptsatz die Beziehung zwischen der Umlaufperiode und der Halbschwerachse angibt. Zum ersten Mal konnte ein Verhalten nicht nur durch eine Reihe von Parametern beschrieben, sondern auch vorhergesagt werden.

Keplers drei Gesetze, dass Planeten sich in Ellipsen mit der Sonne in einem Fokus bewegen, dass sie gleiche Flächen zu gleichen Zeiten ausbreiten und dass das Quadrat ihrer Perioden proportional zum Würfel ihrer Hauptachsen ist, gelten ebenso für jede Gravitation System wie sie zu unserem eigenen Sonnensystem tun. (RJHall / Paint Shop Pro)

Newtons Gesetz der universellen Gravitation ging noch weiter und erlaubte es, alle Kepler-Gesetze aus einer einzigen Gleichung abzuleiten: dem Gravitationsgesetz. Wenn Sie die Massen und Positionen der Objekte kannten, die Sie hatten, könnten Sie plötzlich vorhersagen, wie sich ihre Bewegungen in der Zukunft willkürlich ändern würden. Dies war ein großer Fortschritt: Sie konnten jemandem, der die Theorie verstand, nur ein paar Parameter wie Massen und Positionen geben und alles berechnen, was Sie über das zukünftige Verhalten einer Masse im Universum wissen wollten. Es war kurz gesagt eine gute wissenschaftliche Theorie.

Die Erdumlaufbahn um die Sonne erzeugt Gravitationswellen, ebenso wie alle Massen, die sich in Gegenwart einer Gravitationsquelle bewegen und beschleunigen. Das Beugen der Raumzeit durch Materie und Energie ist das Kennzeichen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. (T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab)

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie war um einiges besser: Wenn Sie die gleichen Informationen wie unter Newtons Schwerkraft angeben, würde dies alle Erfolge der vorherigen Theorie wiederholen und eine Reihe von Vorhersagen treffen, die sich deutlich voneinander unterscheiden. Diese enthielten:

  • die Bahnen von Merkur und allen inneren Planeten,
  • die Zeitverzögerung des durch ein Gravitationsfeld laufenden Lichts,
  • die Gravitationsrotverschiebung des Lichts,
  • das Biegen von Sternenlicht aufgrund dazwischenliegender Vordergrundmassen,
  • Frame-Drag-Effekte,
  • und die Existenz und Eigenschaften von Gravitationswellen,

um nur ein paar zu nennen. In jedem einzelnen Regime, in dem es auf die Probe gestellt wurde, hat sich Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie als erfolgreich erwiesen.

Während Wellen durch den Weltraum, die von fernen Gravitationswellen herrühren, unser Sonnensystem, einschließlich der Erde, durchdringen, komprimieren und dehnen sie den Raum um sich herum ein wenig aus. Alternativen können dank unserer Messungen in diesem Bereich unglaublich stark eingeschränkt werden. (Europäisches Gravitationsobservatorium, Lionel BRET / EUROLIOS)

Das Hauptmerkmal dessen, was die späteren Theorien nicht nur erfolgreicher, sondern auch erfolgreicher als ihre Vorgänger gemacht hat, lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:

Durch Hinzufügen der wenigsten neuen freien Parameter kann die größte Anzahl bisher unerklärlicher Phänomene erklärt und genau vorhergesagt werden.

Dies ist der Grund, warum Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie so erfolgreich ist und warum so viele unserer größten Theorien so akzeptiert werden, wie sie sind. Die große Kraft einer wissenschaftlichen Theorie liegt in ihrer Fähigkeit, Vorhersagen quantitativ zu treffen, die durch Experimente oder Beobachtungen verifiziert oder widerlegt werden können.

Vier kollidierende Galaxienhaufen, die die Trennung zwischen Röntgenstrahlen (pink) und Gravitation (blau) zeigen, was auf dunkle Materie hindeutet. Im großen Maßstab ist CDM notwendig, aber im kleinen Maßstab ist es nicht so erfolgreich, wie wir es möchten. (Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A. Mahdavi et al. Optisch / Linsen: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (Oben links); Röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson et al., Optical: NASA / STScI / UCDavis / W. Dawson et al. (Oben rechts), ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Mailand, Italien) / CFHTLS (unten links), X -Ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universität von Kalifornien, Santa Barbara) und S. Allen (Stanford University) (unten rechts)

Deshalb ist eine Idee wie die Dunkle Materie so mächtig. Indem Sie nur eine neue Partikelart hinzufügen - etwas, das kalt, kollisionsfrei und für Licht und normale Materie transparent ist - können Sie alles erklären, von rotierenden Galaxien bis zum kosmischen Netz, den Schwankungen im Mikrowellenhintergrund, den Korrelationen von Galaxien, kollidierenden Galaxienhaufen, und sehr viel mehr. Aus diesem Grund sind Ideen mit einer Vielzahl von freien Parametern, die optimiert werden müssen, um die richtigen Ergebnisse zu erzielen, weniger zufriedenstellend und weniger aussagekräftig. Wenn wir beispielsweise dunkle Energie mit nur einer Konstanten modellieren können, warum sollten wir dann Mehrfeldmodelle mit vielen Parametern erfinden, die nicht mehr erfolgreich sind?

Ein detaillierter Blick auf das Universum zeigt, dass es aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, dass dunkle Materie und dunkle Energie benötigt werden und dass wir den Ursprung dieser Mysterien nicht kennen. Wenn Sie zum Beispiel die Dunkle Energie mit nur einem neuen Parameter erklären könnten, ist die Verwendung eines komplizierteren Modells nicht von Vorteil. (Chris Blake und Sam Moorfield)

Es gibt alle möglichen wissenschaftlich klingenden Ideen, wie den kürzlich von Aeon propagierten Kosmopsychismus, die mit einer großartigen Idee beginnen, für deren Erklärung jedoch eine ganze Menge neuer Physik (und neuer freier Parameter) erforderlich ist. Im Allgemeinen sollte die Anzahl der neuen freien Parameter, die Ihre Idee einführt, viel geringer sein als die Anzahl der neuen Erklärungen. Die meisten Leute, die sich auf Occams Rasierer berufen, können ihn nicht anhand dieses nahezu universellen Kriteriums bewerten.

Ein Universum mit dunkler Energie (rot), ein Universum mit großer Inhomogenitätsenergie (blau) und ein kritisches Universum ohne dunkle Energie (grün). Beachten Sie, dass sich die blaue Linie anders verhält als die Dunkle Energie. Neue Ideen sollten andere, beobachtbare Vorhersagen treffen als die anderen Leitideen. (Gábor Rácz et al., 2017)

Wenn Sie das nächste Mal auf eine kühne neue Idee stoßen, fragen Sie sich, wie viele neue freie Parameter im Vergleich zu der führenden Theorie, die sie ersetzen oder erweitern möchte, vorhanden sind: Nennen Sie diese Zahl X. Fragen Sie sich dann, wie viele bisher ungeklärte Phänomene sie zu erklären vorgibt : Rufe diese Zahl Y an. Wenn Y signifikant größer als X ist, hast du möglicherweise etwas, das es wert ist untersucht zu werden. Sie haben es vielleicht mit einer guten Idee zu tun. Wenn nicht, haben Sie es mit ziemlicher Sicherheit bestenfalls mit einer schlechten wissenschaftlichen Idee oder im schlimmsten Fall mit einer unwissenschaftlichen Idee zu tun. Die große Kraft der Wissenschaft liegt in ihrer Fähigkeit, vorherzusagen und zu erklären, was wir im Universum sehen. Der Schlüssel ist, es so einfach wie möglich zu machen, es aber nicht weiter zu vereinfachen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.