科学理論

ほとんどの学術界において、理論が受け入れられるためには、通常、一つのシンプルな基準が存在する。その本質的な基準とは、理論が観察可能かつ再現可能であることである。この基準は、不正行為を防止し、科学そのものを永続させるために不可欠である。

理論を含むすべての科学的知識の決定的な特徴は、反証可能または検証可能な予測を行う能力である。^{[ 16 ]}これらの予測の妥当性と具体性によって、理論がどれほど有用であるかが決まる。観察可能な予測を何も行わない理論は、そもそも科学的理論ではない。検証するのに十分な具体性を持たない予測も同様に有用ではない。どちらの場合も、「理論」という用語は適用できない。

知識に関する記述の集合は、以下の基準を満たす場合に理論と呼ばれる。

• それは、（力学などの）幅広い科学的探究分野において、一貫した精度で反証可能な予測を行う。
• それは単一の根拠に基づくものではなく、多くの独立した証拠によって十分に裏付けられている。
• これは既存の実験結果と一致しており、予測精度においても既存のどの理論にも劣らない。

これらの特性は、特殊相対性理論や一般相対性理論、量子力学、プレートテクトニクス、現代進化論など、確立された理論にも確かに当てはまります。

さらに、ほとんどの科学者は、以下の条件を満たす理論を用いることを好む。

• 完全に適合しない新しいデータが発見された場合、それに対応するために軽微な修正を加えることができ、時間の経過とともに予測能力が向上します。^{[ 17 ]}
• これは、オッカムの剃刀に従って提案された実体や説明手順の使用において経済的であり、最も簡潔な説明の1つです。これは、ある現象の受け入れられた説明ごとに、非常に多くの、おそらく理解不能な数の、より複雑な代替案が存在する可能性があるためです。なぜなら、失敗した説明には、反証されないようにアドホックな仮説を常に付け加えることができるからです。したがって、より単純な理論は、より複雑な理論よりも検証しやすいため好ましいのです。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

米国科学アカデミーは、科学理論を次のように定義している。

理論の正式な科学的定義は、日常的な意味とはかなり異なります。それは、膨大な証拠によって裏付けられた、自然のある側面に関する包括的な説明を指します。多くの科学理論は非常に確立されているため、新たな証拠によって大きく変更される可能性は低いでしょう。例えば、地球が太陽の周りを公転していない（地動説）、生物が細胞でできていない（細胞説）、物質が原子でできていない、地球の表面が地質学的時間スケールで移動した固いプレートに分かれていない（プレートテクトニクス理論）などという新たな証拠は存在しません。科学理論の最も有用な特性の1つは、まだ観察されていない自然現象や出来事について予測するために使用できることです。^{[ 21 ]}

アメリカ科学振興協会より：

科学理論とは、観察と実験によって繰り返し確認された一連の事実に基づき、自然界のある側面を立証した、十分に根拠のある説明のことです。こうした事実に裏付けられた理論は「推測」ではなく、現実世界の信頼できる説明です。生物進化論は「単なる理論」以上のものです。それは、物質の原子論や病原菌説と同様に、宇宙に関する事実に基づいた説明です。重力に関する私たちの理解はまだ発展途上ですが、重力という現象は、進化と同様に、広く受け入れられている事実です。

なお、「理論」という用語は、検証されていないものの複雑な仮説や、科学モデルを説明するのに適切ではないことに留意されたい。

場合によっては、2 つ以上の理論が、以前の理論を近似または特殊なケースとして説明する単一の理論に置き換えられることがあります。これは、1 つの理論が多​​くの確認された仮説を統一的に説明するのと同様です。これは理論の統一と呼ばれます。 ^{[ 7 ]}例えば、電気と磁気は現在、電磁気学と呼ばれる同じ現象の 2 つの側面であることがわかっています。^{[ 29 ]}

異なる理論の予測が互いに矛盾しているように見える場合、これもさらなる証拠または統一によって解決されます。たとえば、19 世紀の物理理論では、太陽は特定の地質学的変化や生命の進化を可能にするほど長く燃え続けることはできなかったと示唆されていました。これは、太陽の主要なエネルギー源である核融合の発見によって解決されました。^{[ 30 ]}矛盾は、より基本的な (矛盾しない) 現象を近似する理論の結果として説明することもできます。たとえば、原子論は量子力学の近似です。現在の理論は、他のすべての理論が近似している3 つの別々の基本的な現象を記述しています。 ^{[ 31 ]}これらの潜在的な統一は、万物の理論と呼ばれることがあります。^{[ 7 ]}

1905年、アルベルト・アインシュタインは特殊相対性理論を発表した。^{[ 32 ]}彼はガリレオ・ガリレイ の時代から300年間知られていた原理、すなわち相対性原理と、マクスウェル方程式として知られる確立された電磁気理論からの予測、つまり真空中の光速は光源と受信機の相対運動に依存しないという予測から始めた。アインシュタインは、ガリレオ相対性の概念を修正して力学と電磁気学を整合させるべきだと提案、あるいは仮説を立てた。^{[ 33 ] : 17}この修正は、物理学の2つの分野を統一することに加えて、 時間の遅れや長さの収縮などの具体的な結果につながった。慎重で繰り返し行われた実験により、アインシュタインの仮説が正しいことと、特殊相対性理論の予測が実験と一致することが確認されている。^{[ 34 ]}

アインシュタインは次に、慣性系であろうと加速系であろうと、すべての参照系に不変性の原理を一般化しようとした。^{[ 35 ]}遠く離れた場所に瞬時に作用する中心力である ニュートン重力を否定し、アインシュタインは重力場を想定した。1907年、アインシュタインの等価原理は、一様な重力場内での自由落下は慣性運動と等価であることを意味した。^{[ 35 ]}特殊相対性理論の効果を3次元に拡張することで、一般相対性理論は長さの収縮を空間の収縮に拡張し、4次元時空を幾何学的に変化し、すべての局所的な物体の経路を設定する重力場として捉えた。質量のないエネルギーでさえ、4次元時空の幾何学的「表面」を「湾曲」させることで、局所的な物体に重力運動を及ぼす。しかし、エネルギーが膨大でない限り、単に運動を予測するだけでは、空間を収縮させ時間を遅くするという相対論的効果は無視できる。一般相対性理論は科学的実在論を通じてより説明的な理論として受け入れられているが、ニュートンの理論は道具主義を通じて単なる予測理論として依然として成功している。軌道を計算するために、エンジニアやNASAは今でも操作が簡単なニュートンの方程式を使用している。^{[ 8 ]}

科学理論は事実に変わるものではありません。科学的事実は、理論が整理し説明する観察結果です。^{[ 41 ]}新しい事実が現れるにつれて、理論は修正されるか、これらの追加の事実を包含する新しい理論が出現する可能性があります。^{[ 42 ]}アメリカの日常会話では、「理論」は「事実」に反対する「推測」に似た意味で使われますが、科学では「理論」という言葉は、幅広い事実を説明することが期待されるモデルを意味します。^{[ 41 ]}

論理実証主義者は、科学理論を形式言語による命題と捉えた。一階述語論理は形式言語の一例である。論理実証主義者は、同様の科学言語を構想した。この言語には、科学理論に加えて、観察文（「太陽は東から昇る」）、定義、数学的命題も含まれていた。理論によって説明される現象は、感覚で直接観察できない場合（例えば、原子や電波など）、理論的概念として扱われた。この見方では、理論は公理として機能する。予測される観察結果は、ユークリッド幾何学における定理の導出と同様に、理論から導き出される。しかし、予測はその後、現実と照らし合わせて検証され、その結果として「公理」が修正される可能性がある。

このアプローチを説明するために、「理論の定説」という表現が用いられる。これに関連する用語としては、「言語的」（理論は言語の構成要素であるため）や「統語的」（言語には記号の組み合わせ方に関する規則があるため）などが挙げられる。顕微鏡で観察される対象は観察対象なのか、それとも理論的な対象なのかといった、この種の言語を正確に定義することの難しさが、1970年代における論理実証主義の事実上の終焉につながった。

科学理論を命題ではなくモデルと同一視する意味論的理論観は、科学哲学における理論定式化において、従来の見解に取って代わり、支配的な立場となっている。^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}モデルは、現実を表現することを目的とした論理的枠組み（「現実のモデル」）であり、地図が都市や国の領域を表す図式モデルであるのと同様である。^{[ 46 ] [ 47 ]}

このアプローチでは、理論は必要な基準を満たす特定のカテゴリーのモデルです（上記参照）。モデルを記述するために言語を使用することはできますが、理論はモデル（または類似のモデルの集合）であり、モデルの説明ではありません。たとえば、太陽系のモデルは、太陽と惑星を表す抽象的なオブジェクトで構成される場合があります。これらのオブジェクトには、位置、速度、質量などの関連する特性があります。ニュートンの万有引力の法則などのモデルパラメータは、位置と速度が時間とともにどのように変化するかを決定します。このモデルは、将来の観測を正確に予測できるかどうかをテストできます。天文学者は、モデルのオブジェクトの時間経過に伴う位置が惑星の実際の位置と一致することを検証できます。ほとんどの惑星については、ニュートンモデルの予測は正確ですが、水星についてはわずかに不正確であるため、代わりに一般相対性理論のモデルを使用する必要があります。

「意味論的」という言葉は、モデルが現実世界を表現する方法を指します。表現（文字通りには「再表現」）は、現象の特定の側面、あるいは一連の現象間の相互作用の様式を記述します。例えば、家や太陽系の縮尺模型は、明らかに実際の家や太陽系ではありません。縮尺模型で表現された実際の家や太陽系の側面は、限られた範囲でのみ、実際の対象を代表するものです。家の縮尺模型は家そのものではありませんが、現実を理解しようとする科学者と同様に、家について学びたい人にとっては、十分に詳細な縮尺模型で十分かもしれません。

仮定（または公理）とは、証拠なしに受け入れられる命題のことです。例えば、仮定は論理的な議論における前提として用いることができます。アイザック・アシモフは仮定を次のように説明しています。

…仮定を真か偽かのどちらかとして語るのは誤りである。なぜなら、どちらであるかを証明する方法はないからである（もし証明できる方法があれば、それはもはや仮定ではなくなる）。仮定は、そこから導き出される推論が現実と一致するかどうかに応じて、有用か無用かのどちらかとして考える方が良い。…どこかから始めなければならないので、仮定は必要だが、少なくとも仮定はできるだけ少なくしよう。^{[ 51 ]}

すべての経験的主張には、一定の前提（例えば、現実が存在するという前提）が必要です。しかし、理論は一般的に、従来の意味での前提（証拠なしに受け入れられる主張）を立てることはありません。新しい理論の形成過程で前提が組み込まれることはよくありますが、それらは（既存の理論などから得られる）証拠によって裏付けられているか、あるいは理論の検証過程で証拠が生み出されます。これは、理論が正確な予測を行うという単純な観察に過ぎない場合もあります。これは、最初に立てられた前提が、検証された条件下で正しいか、あるいはほぼ正しいという証拠となります。

理論が、その仮定が妥当な場合（または近似的に妥当な場合）にのみ適用されることを意図している場合、証拠のない慣習的な仮定が用いられることがある。例えば、特殊相対性理論は慣性系を前提としている。この理論は、前提が妥当な場合には正確な予測を行い、妥当でない場合には正確な予測を行わない。このような仮定は、古い理論が新しい理論に取って代わられる際の重要な転換点となることが多い（一般相対性理論は非慣性系でも機能する）。

「assume」という用語は、語源的には標準的な用法よりも実際には広い意味を持ちます。オックスフォード英語辞典（OED）とオンラインのWiktionaryでは、その語源はラテン語のassumere（「受け入れる、自分のものとする、採用する、奪う」）と示されており、これはad-（「～へ、～に向かって、～で」）とsumere（取る）の結合です。この語根は、意味が変化した形でイタリア語のassumereとスペイン語のsumirに残っています。OEDにおける「assume」の最初の意味は「（自分のものにする）、受け入れる、受け入れる、採用する」です。この用語は元々、「天に迎える」、特に「聖母マリアが腐敗せずに遺体とともに天に迎えられたこと」（西暦1297年）などの宗教的な文脈で使用されていましたが、単に「関係に受け入れる」または「パートナーシップに採用する」という意味でも使用されていました。さらに、assumere の他の意味には、(i)「（属性を）自分に与える」、(ii)「引き受ける」（特に法律において）、(iii)「外見上だけ自分に似せる、所有しているふりをする」、(iv)「ある事柄を想定する」（いずれも OED の「assume」の項目からの意味であり、「assumption」の OED の項目の意味はほぼ完全に対称的である）などがある。したがって、「assumption」は、現代の標準的な意味である「想定または当然のこととみなされるもの、仮説、公理」（「assumption」の 12 の意味のうち 11 番目、および「assume」の 11 の意味のうち 10 番目のみ）とは異なる連想を暗示している。

カール・ポパーは科学理論の特徴を次のように説明した。^{[ 9 ]}

1. ほぼすべての理論について、確認や検証を得ることは容易である――もし私たちが確認を探し求めるならば。
2. 確認は、それが危険な予測の結果である場合にのみ有効である。つまり、問題の理論を知らなければ、その理論と矛盾する出来事、つまりその理論を否定するような出来事を予想していた場合のみ有効である。
3. あらゆる「優れた」科学理論は、ある種の事象の発生を禁じる禁止事項である。理論が禁じる事象が多いほど、その理論は優れていると言える。
4. いかなる事象によっても反証できない理論は、非科学的である。反証不可能性は（人々がよく考えるように）理論の美徳ではなく、むしろ欠点である。
5. 理論を真に検証するあらゆる試みは、その理論を反証するか、あるいは否定しようとする試みである。検証可能性とは反証可能性のことである。しかし、検証可能性には程度があり、ある理論は他の理論よりも検証しやすく、反証されやすい。いわば、より大きなリスクを伴うのである。
6. 裏付けとなる証拠は、それが理論の真正な検証の結果である場合を除いては、考慮に入れるべきではない。つまり、それは理論を反証しようとする真剣ではあるが失敗に終わった試みとして提示できるものでなければならない。（このような場合、私は「裏付けとなる証拠」と呼ぶ。）
7. 真に検証可能な理論であっても、誤りであることが判明した場合でも、支持者によって擁護され続けることがある。例えば、事後的に補助的な仮説や前提を導入したり、事後的に理論を再解釈して反証を免れさせたりするなどである。このような手法は常に可能であるが、証拠を改ざんすることで理論の科学的地位を損なう、あるいは少なくとも低下させるという代償を伴って、理論を反証から救うことになる。証拠を改ざんしたいという誘惑は、科学的研究に着手する前に、時間をかけて検証手順を書き留めておくことで最小限に抑えることができる。

ポパーはこれらの主張を要約して、理論の科学的地位の中心的な基準は「反証可能性、反駁可能性、または検証可能性」であると述べた。^{[ 9 ]}これに呼応して、スティーブン・ホーキングは、「理論が良い理論であるのは、2つの要件を満たす場合である。それは、少数の恣意的な要素のみを含むモデルに基づいて、多数の観測を正確に記述すること、そして将来の観測結果について明確な予測を行うことである」と述べている。彼はまた、帰納論理の必然的な帰結である理論の「証明不可能だが反証可能」な性質について論じ、「理論の予測と矛盾する観測を1つでも見つけることで、その理論を反証することができる」と述べている。^{[ 52 ]}

しかし、哲学者や科学史家の中には、ポパーの理論の定義である「反証可能な命題の集合」は間違っていると主張する者もいる^{[ 53 ]。}フィリップ・キッチャーが指摘しているように、「理論」を厳密にポパー的な見方で捉えると、1781年に初めて発見された天王星の観測結果はニュートンの天体力学を「反証」することになるからだ。実際には、人々は別の惑星が天王星の軌道に影響を与えていると示唆し、この予測は最終的に確認された。

キッチャーは、ポパーの「科学は失敗する可能性があるからこそ成功できるという考えには、確かに正しい点がある」という意見に賛同している。^{[ 54 ]}また、科学理論には反証できない命題も含まれており、優れた理論は創造的でなければならないとも述べている。彼は、科学理論を「精緻な命題の集合」と捉えるべきだと主張し、その中には反証できない命題もあれば、彼が「補助仮説」と呼ぶ、反証可能な命題もあると述べている。

キッチャーによれば、優れた科学理論には次の3つの特徴がなければならない。^{[ 54 ]}

1. 統一性：「科学は統一されるべきである。優れた理論は、幅広い問題に適用できる、たった一つの問題解決戦略、あるいは少数の問題解決戦略の集合体から構成される。」
2. 豊穣さ：「ニュートンの理論のような偉大な科学理論は、新たな研究分野を切り開きます。理論は世界を見る新たな方法を提示するため、新たな疑問を抱かせ、実りある新たな探求へと導いてくれます。一般的に、繁栄している科学は不完全です。常に、現状では答えられる以上の疑問を生み出します。しかし、不完全さは欠点ではありません。むしろ、不完全さこそが豊穣の源泉なのです。優れた理論は生産的であるべきです。新たな疑問を提起し、その疑問は問題解決戦略を放棄することなく解決できると想定すべきです。」
3. 独立して検証可能な補助仮説：「補助仮説は、それが解決するために導入された特定の問題とは独立して、またそれが維持しようとしている理論とは独立して検証可能であるべきである。」（例えば、海王星の存在を示す証拠は、天王星の軌道の異常とは独立している。）

ポパーの定義をはじめとする他の理論の定義と同様に、キッチャーは、理論には観察結果をもたらす命題が含まれていなければならないことを明確にしている。しかし、天王星の軌道の不規則性の観察と同様に、反証は観察の可能な結果の一つに過ぎない。新たな仮説の生成もまた、同様に重要な結果となり得るのである。

科学理論の概念は、類推や比喩を用いて説明されることもあります。例えば、論理実証主義者のカール・グスタフ・ヘンペルは、科学理論の構造を「複雑な空間ネットワーク」に例えました。

その用語は結び目で表され、結び目をつなぐ糸は、部分的には定義に対応し、部分的には理論に含まれる基本仮説と派生仮説に対応します。システム全体は、いわば観測面の上に浮かび、解釈規則によって観測面に繋がれています。これらは、ネットワークの一部ではないものの、ネットワークの特定の点を観測面の特定の場所と結びつける紐と見なすことができます。これらの解釈的なつながりによって、ネットワークは科学理論として機能します。特定の観測データから、解釈の紐を介して理論ネットワークのある点に上昇し、そこから定義と仮説を介して他の点に進み、そこから別の解釈の紐によって観測面へ下降することができます。^{[ 55 ]}

マイケル・ポランニーは、理論と地図の間に類似点を見出した。

理論とは、私自身とは異なる何かである。それは規則体系として紙に書き表すことができ、そのような形で完全に記述できるほど、真の意味での理論となる。数学理論はこの点において最高の完成度を誇る。しかし、地理的な地図でさえ、それ以外では未踏の経験の領域を進むための厳密な規則の集合を完全に体現している。実際、すべての理論は、空間と時間にわたって拡張された一種の地図と見なすことができる。^{[ 56 ]}

科学理論は、世界の根本的な情報を捉えた書物、つまり研究され、書かれ、共有されなければならない書物と考えることもできる。1623年、ガリレオ・ガリレイは次のように記した。

哲学（すなわち物理学）は、この壮大な書物――つまり宇宙――に記されている。宇宙は常に私たちの視線に開かれているが、まずその言語を理解し、書かれている文字を解釈することを学ばなければ、理解することはできない。それは数学の言語で書かれており、その文字は三角形、円、その他の幾何学的図形である。これらがなければ、人間は一語たりとも理解することはできない。これらがなければ、人は暗い迷宮をさまようことになる。^{[ 57 ]}

本の比喩は、現代の科学哲学者イアン・ハッキングによる以下の文章にも適用できるだろう。

私自身はアルゼンチンの幻想を好む。神は、昔のヨーロッパ人が想像したような自然の書を書いたのではない。神はボルヘス的な図書館を書いたのだ。その図書館の各書は可能な限り簡潔だが、各書は他のどの書とも矛盾している。どの書も無駄ではない。どの書にも、人間が理解できる自然の一片があり、その書だけが、起こっていることの理解、予測、そして影響を可能にするのだ。ライプニッツは、神は最も単純な法則を選びながら、現象の多様性を最大化する世界を選んだと言った。まさにその通りだ。しかし、現象を最大化し、最も単純な法則を持つ最良の方法は、法則が互いに矛盾し、それぞれがこれかあれかに適用されるが、すべてに適用されるものはないということだ。^{[ 58 ]}