Es gibt eine große Anzahl 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 überprüft 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, besteht eines der Hauptziele der wissenschaftlichen Untersuchung darin, seine Ursache zu verstehen. Wenn wir sehen, dass etwas passiert, wollen wir wissen, warum es passiert ist. Quantitativ wollen wir verstehen, welche Prozesse im Spiel waren und wie sie den Effekt der exakten Größe verursachten, die wir beobachteten. Und schließlich möchten wir wissen, was uns bei Systemen erwartet, die wir noch nicht beobachtet haben, und Vorhersagen darüber treffen, welches Verhalten wir in neuartigen Situationen, denen wir in Zukunft begegnen könnten, wahrscheinlich sehen werden. Sie können ein Dutzend Ideen finden, von professionellen Physikern über Philosophen bis hin zu Amateur-Enthusiasten, aber die meisten von ihnen machen miese wissenschaftliche Theorien. Der Grund? Weil sie einfach zu viel annehmen und zu wenig vorhersagen. Es gibt eine Wissenschaft, wie das alles funktioniert.

Die Planeten des Sonnensystems, die im Maßstab ihrer physischen Größe dargestellt sind, umkreisen alle nach bestimmten Regeln. Das Herausfinden dieser Regeln wurde schrittweise verbessert, wobei jeder Schritt vorwärts mehr mit weniger Regeln und freien Parametern erklärte. (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 Ptolemaios und Kopernikus vielleicht dafür berühmt sind, die beiden Hauptkonzepte für Modelle, geozentrisch und heliozentrisch, vorzustellen, sind dies nur Modelle, keine Theorien. Warum ist das? Denn für jeden Planeten, den Sie einführen, gibt es keine Regeln oder Gesetze, die regeln, wie er umkreist. Diese Modelle besagen lediglich, dass Sie die Bewegung eines Planeten durch den Himmel beschreiben können, wenn Sie die richtigen Parameter wie Äquanten, Deferenten und Epizyklen für Ptolemäus angeben.

Eines der großen Rätsel des 16. Jahrhunderts war, wie sich Planeten scheinbar rückläufig bewegten. Dies könnte entweder durch das geozentrische Modell (L) von Ptolemäus oder durch das heliozentrische Modell (R) von Copernicus erklärt werden. Es war jedoch etwas, was keiner tun konnte, die Details auf willkürliche Genauigkeit zu bringen. So interessant diese beiden Modelle auch sind, keines 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. Dafür 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 im Mittelpunkt) nicht einfach genau vorgegeben, sondern sie quantitativ beschrieben. Keplers zweites Gesetz gibt die Beziehung zwischen der Umlaufgeschwindigkeit und der relativen Entfernung von der Sonne an, während das dritte Gesetz die Beziehung zwischen der Umlaufzeit und der Hauptachse angibt. Zum ersten Mal konnte ein Verhalten nicht nur durch eine Reihe von Parametern beschrieben, sondern auch vorhergesagt werden.

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

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

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

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ging noch einen Schritt weiter: Mit den gleichen Informationen, die Sie jemandem unter Newtons Schwerkraft geben würden, würde sie alle Erfolge der vorherigen Theorie wiederholen und eine Reihe von Vorhersagen treffen, die beobachtbar unterschiedlich waren. Diese enthielten:

  • die Umlaufbahnen von Merkur und allen inneren Planeten,
  • die Zeitverzögerung von Licht, das sich durch ein Gravitationsfeld bewegt,
  • die Gravitationsrotverschiebung des Lichts,
  • das Biegen des Sternenlichts 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 entfernten Gravitationswellen ausgehen, durch unser Sonnensystem, einschließlich der Erde, strömen, komprimieren und erweitern sie den Raum um sie herum ganz leicht. Alternativen können dank unserer Messungen in diesem Regime unglaublich eng eingeschränkt werden. (Europäische Gravitationsbeobachtungsstelle, Lionel BRET / EUROLIOS)

Das Hauptmerkmal dessen, was die späteren Theorien nicht nur erfolgreich, sondern auch erfolgreicher als ihre Vorgänger gemacht hat, kann auf Folgendes reduziert werden:

Durch Hinzufügen der geringsten Anzahl neuer, freier Parameter kann die größte Anzahl bisher ungeklärter 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 (rosa) und Gravitation (blau) zeigen, was auf dunkle Materie hinweist. Im großen Maßstab ist CDM notwendig, aber im kleinen Maßstab ist es allein nicht so erfolgreich, wie wir es möchten. (Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A. Mahdavi et al. Optisch / Linse: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (Oben links); Röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W. Dawson et al.; Optisch: 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 dunkle Materie so mächtig. Indem Sie nur eine einzige 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, Galaxienkorrelationen, kollidierenden Galaxienhaufen, und sehr viel mehr. Aus diesem Grund sind Ideen mit einer großen Anzahl freier Parameter, die angepasst 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 erforderlich sind und dass wir den Ursprung eines dieser Geheimnisse nicht kennen. Wenn Sie beispielsweise die Dunkle Energie mit nur einem neuen Parameter erklären könnten, wäre die Verwendung eines komplizierteren Modells nicht vorteilhaft. (Chris Blake und Sam Moorfield)

Es gibt alle möglichen wissenschaftlich klingenden Ideen, wie den kürzlich von Aeon geförderten Kosmopsychismus, die mit einer großartigen Idee beginnen, aber eine ganze Reihe neuer Physik (und neuer freier Parameter) erfordern, um sehr wenig zu erklären. Im Allgemeinen sollte die Anzahl der neuen freien Parameter, die Ihre Idee einführt, weitaus geringer sein als die Anzahl der neuen Dinge, die erklärt werden sollen. Die meisten Leute, die sich auf Occams Rasiermesser berufen, können es 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 dunkle Energie. Neue Ideen sollten andere, beobachtbare Vorhersagen treffen als die anderen führenden Ideen. (Gábor Rácz et al., 2017)

Wenn Sie das nächste Mal auf eine mutige neue Idee stoßen, fragen Sie sich, wie viele neue freie Parameter darin enthalten sind, verglichen mit der führenden Theorie, die ersetzt oder erweitert werden soll: Rufen Sie diese Nummer X an. Dann fragen Sie sich, wie viele bisher ungeklärte Phänomene sie zu erklären behauptet : Rufen Sie diese Nummer Y an. Wenn Y deutlich größer als X ist, haben Sie 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, aber es nicht weiter zu vereinfachen.

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