科学理論

科学理論とは、観察、測定、結果の評価という受け入れられたプロトコルを使用して、科学的方法に従って繰り返しテストされ、裏付けられる（または、むしろ、すでにテストされてきている）自然界と宇宙の側面の説明です。可能な場合、理論は実験において制御された条件下でテストされます。^{[1] [2]実験的テストに適さない状況では、理論は}帰納的推論の原則を通じて評価されます。確立された科学理論は厳格な精査に耐え、科学的知識を具体化しています。

科学理論は科学的事実や科学法則とは異なり、理論は「なぜ」または「どのように」を説明しようとするのに対し、事実は単純で基本的な観察であり、法則は事実と他の法則との関係を経験的に記述したものである。たとえば、ニュートンの万有引力の法則は物体間の引力を予測するために使用できる数式であるが、重力がどのように 機能するかを説明する理論ではない。^[3]スティーブン・ジェイ・グールドは「事実と理論は異なるものであり、確実性が高まる階層の段ではない。事実は世界のデータである。理論は事実を説明し解釈するアイデアの構造である」と書いている。^[4]

科学の分野で使われる科学理論（簡潔にするために理論と略されることが多い）という用語の意味は、一般的な口語的な理論の用法とは大きく異なります。^{[5] [注 1]}日常会話では、理論は根拠のない推測を表す説明を意味する場合がありますが、^[5]科学的な文脈では、理論はすでにテストされ、有効であると広く受け入れられている説明を指すことが最も多いです。^{[1] [2]}

科学理論の強さは、それが説明できる現象の多様性とその単純さに関係している。追加の科学的証拠が集められると、科学理論は修正され、新しい発見に適合できない場合は最終的に却下される可能性がある。そのような状況では、より正確な理論が必要になる。一部の理論は非常に確立されているため、根本的に変更される可能性は低い（たとえば、進化論、地動説、細胞説、プレートテクトニクス理論、細菌説などの科学理論）。特定のケースでは、すべてのデータに適合しない科学理論または科学法則が、特定の条件下での近似として（その単純さのために）依然として有用である可能性がある。一例として、ニュートンの運動の法則があり、これは光速に比べて小さい速度での特殊相対性理論の非常に正確な近似である。^{[6] [7] [8]}

科学理論はテスト可能であり、検証可能な予測を行います。^[9]科学理論は特定の自然現象の原因を説明し、物理的宇宙の側面や特定の研究分野（たとえば、電気、化学、天文学）を説明したり予測したりするために使用されます。他の形式の科学的知識と同様に、科学理論は演繹的かつ帰納的であり、^[10]予測力と説明力を目指しています。科学者は理論を使用して科学的知識を深め、技術や医学の進歩を促進します。科学者は自分の仮説が正しいことを完全に確認できないため、科学的仮説が「証明」されることは決してありません。代わりに、科学者は研究が自分の仮説を「支持する」またはそれと一致すると言います。^[11]

アルバート・アインシュタインは、「構成的理論」と「原理理論」という2つの異なるタイプの科学理論を説明した。構成的理論は現象の構成モデルであり、例えば運動理論である。原理理論は経験的一般化であり、その一例がニュートンの運動の法則である。^[12]

ほとんどの学界で受け入れられる理論には、通常、1 つの単純な基準があります。重要な基準は、理論が観察可能で再現可能であることです。前述の基準は、詐欺を防ぎ、科学そのものを永続させるために不可欠です。

理論を含むすべての科学的知識の定義的な特徴は、反証可能または検証可能な予測を行う能力です。^[13]これらの予測の関連性と特異性によって、理論が潜在的にどれほど有用であるかが決まります。観察可能な予測を行わない理論は、科学的な理論ではありません。検証できるほど十分に具体的でない予測も同様に有用ではありません。どちらの場合も、「理論」という用語は適用されません。

知識の記述の集合は、次の基準を満たす場合、理論と呼ぶことができます。

• 科学研究の幅広い分野（力学など）にわたって一貫した精度で反証可能な予測を行います。
• それは、単一の根拠ではなく、多くの独立した一連の証拠によって十分に裏付けられています。
• これは既存の実験結果と一致しており、その予測は既存の理論と少なくとも同程度に正確です。

これらの性質は、特殊相対性理論、一般相対性理論、量子力学、プレートテクトニクス、現代の進化論的総合理論など の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、以下の特性を満たす理論に基づいて研究することを好みます。

• 完全に適合しない新しいデータが発見された場合には、それを考慮するために小さな適応を施すことができ、時間の経過とともに予測能力が向上します。^[14]
• これは最も倹約的な説明の一つであり、オッカムの剃刀に従って提案された実体や説明ステップの使用が経済的である。これは、ある現象に対する受け入れられた説明ごとに、非常に多くの、おそらくは理解できないほど多くの可能性のあるより複雑な代替案が存在する可能性があるためである。なぜなら、常に失敗した説明にアドホック仮説を課して、それが偽造されるのを防ぐことができるからである。したがって、より単純な理論はより検証しやすいため、より複雑なものよりも好ましい。^{[15] [16] [17]}

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ます。

理論の正式な科学的定義は、日常的な意味とはまったく異なります。理論とは、膨大な証拠によって裏付けられた、自然のある側面についての包括的な説明を指します。多くの科学理論は十分に確立されているため、新しい証拠によって理論が大幅に変わる可能性は低いです。たとえば、地球が太陽の周りを回っていないこと (地動説)、生物が細胞でできていないこと (細胞説)、物質が原子で構成されていないこと、地球の表面が地質学的時間スケールで移動した固体プレートに分割されていないこと (プレートテクトニクス理論) は、新しい証拠によって証明されることはありません...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事象について予測できることです。^[18]

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いて、自然界のある側面について十分に裏付けられた説明です。このような事実に裏付けられた理論は「推測」ではなく、現実世界に関する信頼できる説明です。生物進化の理論は「単なる理論」ではありません。これは、物質の原子論や病気の細菌論と同じくらい、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。しかし、重力の現象は、進化と同様に、認められた事実です。

理論という用語は、検証されていない複雑な仮説や科学的モデルを説明するのには適切ではないことに注意してください。

科学的方法には、仮説の提案と検証が含まれます。仮説から将来の実験の結果についての予測を導き出し、それらの実験を実行して予測が有効かどうかを確認することによって、仮説が提案されます。これにより、仮説を支持する証拠または反対する証拠が得られます。特定の調査領域で十分な実験結果が収集されると、科学者は可能な限り多くの実験結果を説明する説明フレームワークを提案する場合があります。この説明もテストされ、必要な基準（上記を参照）を満たしている場合、説明は理論になります。十分な証拠を集めるのは困難または複雑な場合があるため、これには何年もかかることがあります。^[要出典] すべての基準が満たされると、少なくともいくつかの現象に対する利用可能な最良の説明として科学者に広く受け入れられます（科学的コンセンサスを参照）。以前の理論では説明できなかった、または正確に予測できなかった現象を予測し、何度も繰り返しテストされます。証拠の強さは科学界によって評価され、最も重要な実験は複数の独立したグループによって再現されます。^[要出典]

理論は科学的に有用であるためには完璧に正確である必要はない。例えば、古典力学による予測は相対論の領域では不正確であることが知られているが、一般的な人間が経験する比較的低速ではほぼ正確に正しい。^[6]化学では、酸性化合物と塩基性化合物の根本的な性質について大きく異なる説明を提供する酸塩基理論が多数あるが、それらはそれらの化学的挙動を予測するのに非常に有用である。 ^[20]科学におけるすべての知識と同様に、将来の実験が理論の予測と矛盾する可能性があるため、理論が完全に確実になることは決してない。 ^[8]しかし、科学的コンセンサスによって支持されている理論は、あらゆる科学的知識の中で最も高いレベルの確実性を持っている。例えば、すべての物体は重力の影響を受ける、または地球上の生命は共通の祖先から進化した、などである。^[21]

理論が十分に強力な証拠によってすでに裏付けられている場合、理論が受け入れられるには、その主要な予測のすべてをテストする必要はありません。たとえば、特定のテストは実行不可能であったり、技術的に困難であったりする場合があります。その結果、理論は、まだ確認されていない、または誤りであると証明されていない予測を行う場合があります。この場合、予測された結果は「理論的」という用語で非公式に説明されることがあります。これらの予測は後でテストすることができ、誤っている場合は、理論の修正または拒否につながる可能性があります。ファインマンは次のように述べています。

あなたの理論がどれだけ美しくても、あなたがどれだけ賢くても、それは問題ではありません。それが実験と一致しないなら、それは間違っているのです。^[22]

理論の予測に反する実験結果が観察された場合、科学者はまず実験設計が適切であったかどうかを評価し、適切であれば独立した複製によって結果を確認します。次に、理論の潜在的な改善点の探索が始まります。解決策には、理論の小さな変更または大きな変更が必要になる場合もあれば、理論の既存の枠組み内で満足のいく説明が見つかった場合はまったく変更する必要がない場合もあります。^[23]時間の経過とともに、連続的な修正が積み重なるにつれて、理論は一貫して改善され、予測精度が向上します。理論の新しいバージョン（または完全に新しい理論）はそれぞれ、前のものよりも予測力と説明力が強くなければならないため、科学的知識は時間の経過とともに一貫して正確になります。^[要出典]

理論や他の説明の修正が新しい結果を説明するのに不十分と思われる場合は、新しい理論が必要になる場合があります。科学的知識は通常永続的であるため、これは修正よりもはるかにまれにしか発生しません。^[8]さらに、そのような理論が提案され受け入れられるまで、以前の理論が保持されます。これは、他のコンテキストでの予測力によって検証されるように、他の多くの現象に対する利用可能な最良の説明であるためです。たとえば、観測された水星の近日点歳差運動がニュートン力学に反することは1859年以来知られていますが、^[24]相対性理論が十分な証拠によって裏付けられるまで、この理論は利用可能な最良の説明であり続けました。また、新しい理論は1人または複数によって提案される場合がありますが、修正のサイクルには最終的に多くの異なる科学者の貢献が組み込まれます。^[25]

変更後、受け入れられた理論はより多くの現象を説明し、より大きな予測力を持つようになります (そうでない場合は、変更は採用されません)。この新しい説明は、さらに置き換えたり修正したりできます。繰り返しテストしても理論を修正する必要がない場合は、その理論が非常に正確であることを意味します。これは、受け入れられた理論が時間の経過とともに証拠を蓄積し続けることも意味し、理論 (またはその原理のいずれか) が受け入れられている期間の長さは、それを裏付ける証拠の強さを示すことがよくあります。^[要出典]

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似ています。これを理論の統一と呼びます。 ^[7]たとえば、電気と磁気は現在、同じ現象の2つの側面であることがわかっており、電磁気学と呼ばれています。^[26]

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、太陽は生命の進化だけでなく特定の地質学的変化を可能にするほど長く燃えていなかったことが示唆されていました。これは、太陽の主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。^[27]矛盾は、より基本的な（矛盾のない）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、原子理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である3つの別々の基本現象を説明しています。 ^{[28]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、アルバート・アインシュタインは特殊相対性原理を発表し、すぐに理論となった。^{[29]特殊相対性原理は、}ガリレイ相対性とも呼ばれるニュートンのガリレイの不変性原理が電磁場と一致することを予言した。^[30]アインシュタインは、特殊相対性理論から光子を除外することで、相対運動している物体で測定される時間の遅れと長さの収縮は慣性である、つまり、物体は観測者によって測定された場合、方向のある速度である一定速度を示す、と述べた。これにより、実験上の謎を解決するために仮説が立てられ、エーテルの特性の力学的な結果として電気力学理論に挿入されたローレンツ変換とローレンツ収縮を再現した。特殊相対性理論は洗練された理論であり、^質量とエネルギーが相互に変換することの等価性や、電磁場の励起が1つの基準系では電気として見られるが、別の基準系では磁気として見られるというパラドックスの解決など、独自の結果を生み出した。^[要出典]

アインシュタインは、不変性原理を、慣性系であろうと加速系であろうと、すべての基準系に一般化しようとした。^[32]ニュートンの重力（離れた場所で瞬時に作用する中心力） を否定し、アインシュタインは重力場を仮定した。1907年、アインシュタインの等価原理は、均一な重力場内での自由落下は慣性運動と同等であることを示唆した。^[32]特殊相対性理論の効果を3次元に拡張することにより、一般相対性理論は長さの収縮を空間の収縮に拡張し、4D時空を、すべての局所的な物体の経路を幾何学的に変化させ設定する重力場として考えました。質量のないエネルギーでさえ、4D時空の幾何学的な「表面」を「曲げる」ことで、局所的な物体に重力運動を及ぼします。しかし、エネルギーが膨大でない限り、空間を収縮させ時間を遅くするという相対論的効果は、単に運動を予測する場合には無視できます。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予測理論としてのみ成功している。軌道を計算するために、エンジニアやNASAは今でもより操作が簡単なニュートン方程式を使用している。^[8]

科学法則と科学理論はどちらも、科学的方法から仮説の形成と検証を通じて生み出され、自然界の行動を予測することができます。どちらも通常、観察や実験的証拠によって十分に裏付けられています。^[33]しかし、科学法則は、特定の条件下で自然がどのように動作するかを記述したものです。^[34]科学理論は範囲が広く、自然がどのように機能し、なぜ特定の特性を示すのかについて包括的な説明を提供します。理論はさまざまな情報源からの証拠によって裏付けられており、1つまたは複数の法則が含まれている場合があります。^[35]

よくある誤解は、科学理論は十分なデータと証拠が蓄積されると最終的に科学法則へと進化する初歩的なアイデアであるというものです。理論は、新しい証拠やより良い証拠が蓄積されても科学法則に変わるわけではありません。理論は常に理論のままであり、法則は常に法則のままです。^{[33] [36] [37]}理論と法則はどちらも、反証証拠によって偽造される可能性があります。^[38]

理論と法則も仮説とは異なります。仮説とは異なり、理論と法則は単に科学的事実と呼ばれることもあります。^{[39] [40]} しかし、科学においては、理論は十分に裏付けられていても事実とは異なります。^[41]たとえば、進化は理論であると同時に事実でもあります。^[5]

論理実証主義者は、科学理論を形式言語の記述とみなした。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。科学理論に加えて、言語には観察文（「太陽は東から昇る」）、定義、数学的記述も含まれていた。理論によって説明される現象は、感覚によって直接観察できない場合（たとえば、原子や電波）は、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。予測される観察は、ユークリッド幾何学で定理が導き出されるのとよく似ており、理論から導き出される。ただし、予測はその後、予測を検証するために現実に対してテストされ、直接の結果として「公理」が修正される可能性がある。^[要出典]

このアプローチを説明するために、「理論の一般的な見解」というフレーズが使用されています。このアプローチに関連する一般的な用語は、「言語的」（理論は言語の構成要素であるため）と「統語的」（言語には記号をつなげる方法に関する規則があるため）です。この種の言語を正確に定義する際の問題、たとえば、顕微鏡で見られるオブジェクトは観察されたオブジェクトなのか、それとも理論的なオブジェクトなのかという問題は、1970 年代に論理実証主義の事実上の終焉につながりました。^{[引用が必要]}

科学理論を命題ではなくモデルと同一視する理論の意味論的見解は、科学哲学における理論定式化における支配的な立場として、従来の見解に取って代わった。^{[42] [43] [44]}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土を表現するグラフィカルモデルであるのと似ている。^{[45] [46]}

このアプローチでは、理論とは、必要な基準を満たすモデルの特定のカテゴリです (上記を参照)。言語を使用してモデルを記述できますが、理論はモデル (または同様のモデルのコレクション) 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プロパティがあります。モデル パラメーター (ニュートンの万有引力の法則など) 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。次に、このモデルをテストして、将来の観測を正確に予測するかどうかを確認します。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。ほとんどの惑星では、ニュートン モデルの予測は正確ですが、水星の場合はわずかに不正確であるため、代わりに一般相対性理論モデルを使用する必要があります。^{[引用が必要]}

「セマンティック」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「再表現」) は、現象の特定の側面、または一連の現象間の相互作用の仕方を表します。たとえば、家や太陽系の縮尺モデルは、明らかに実際の家や実際の太陽系ではありません。縮尺モデルで表現される実際の家や実際の太陽系の側面は、限られた方法でのみ、実際の実体を表現します。家の縮尺モデルは家ではありませんが、家について学びたい人にとっては、現実を理解したい科学者と同様に、十分に詳細な縮尺モデルで十分でしょう。

何人かの評論家^[49]は、理論の特徴は説明的であると同時に記述的であるのに対し、モデルは記述的であるに過ぎない（ただし、より限定的な意味では予測的である）ことであると述べている。哲学者のスティーブン・ペッパーも理論とモデルを区別し、1948 年に、一般的なモデルと理論は、科学者が現象を理論化してモデル化し、検証可能な仮説に到達する方法を制約する「ルート」メタファーに基づいていると述べた。^[要出典]

エンジニアリングの実践では、「数学モデル」と「物理モデル」を区別しています。物理モデルの製造コストは、コンピュータ支援設計ツールなどのコンピュータ ソフトウェア パッケージを使用して最初に数学モデルを作成することによって最小限に抑えることができます。構成部品はそれぞれモデル化され、製造許容差が指定されます。分解図を使用して、製造シーケンスをレイアウトします。各サブアセンブリを表示するシミュレーション パッケージを使用すると、部品を回転したり、拡大したり、リアルな詳細を表示できます。建設用の部品表を作成するソフトウェア パッケージを使用すると、下請け業者が組み立てプロセスを専門にすることができ、機械の製造コストを複数の顧客に分散できます。参照:コンピュータ支援エンジニアリング、コンピュータ支援製造、および3D 印刷^{[引用が必要]}

仮定（または公理）は、証拠なしに受け入れられる声明です。たとえば、仮定は論理的議論の前提として使用できます。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。

...仮定が真か偽かのどちらかであると述べるのは誤りである。なぜなら、それが真か偽かを証明する方法が存在しないからである（もし証明する方法があったら、それはもはや仮定ではない）。仮定は、そこから導き出された推論が現実と一致するかどうかによって、有用か無用かのどちらかであると考えた方がよい...どこかから始めなければならないので、仮定は必要であるが、少なくとも仮定はできるだけ少なくしよう。^[50]

すべての経験的主張には、特定の仮定が必要です (たとえば、現実が存在するという仮定)。しかし、理論は一般に、従来の意味での仮定 (証拠なしに受け入れられた声明) を立てません。新しい理論の形成中に仮定が組み込まれることはよくありますが、これらは証拠によって裏付けられるか (既存の理論など)、理論を検証する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ことを観察するのと同じくらい単純なことかもしれません。これは、最初に立てられた仮定が、テストされた条件下では正しいか、ほぼ正しいという証拠です。^{[引用が必要]}

理論が仮定が正しい（またはほぼ正しい）場合にのみ適用されることを意図している場合は、証拠のない慣習的な仮定が使用されることがあります。たとえば、特殊相対性理論は慣性座標系を前提としています。この理論は、仮定が正しい場合は正確な予測を行いますが、仮定が正しい場合は正確な予測を行いません。このような仮定は、古い理論が新しい理論に引き継がれるポイントとなることがよくあります（一般相対性理論は非慣性座標系でも機能します）。

「仮定」という用語は、語源的に言えば、実際には標準的な用法よりも広い意味を持っています。オックスフォード英語辞典 (OED) とオンラインのウィクショナリーでは、そのラテン語の語源は、ad- (「～に、～に向かって、～で」) とsumere (～を取る) の接続詞である、assumere (「受け入れる、～に取る、採用する、奪う」) であると示されています。この語源は、意味を変えて、イタリア語のassemblereとスペイン語のsumirに残っています。OED における「仮定」の最初の意味は、「～に取る、受け取る、受け入れる、採用する」です。この用語は、もともと「～に迎え入れる」、特に「聖母マリアが腐敗から守られた状態で天国に迎え入れられた」(1297 年) などの宗教的な文脈で使用されていましたが、単に「～に迎え入れる」または「～に採用する」を指すためにも使用されていました。さらに、assumpre 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)「外見上だけ自分のものとする、所有しているふりをする」、(iv)「物事をあると仮定する」(すべての意味は OED の「assume」の項目から引用。OED の「assumption」の項目は意味がほぼ完全に対称的である) などがある。したがって、「assumption」は、当時の標準的な意味である「想定される、または当然とみなされるもの、仮定、仮定」以外の意味を暗示している (「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)。

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. 確認を求めれば、ほぼすべての理論の確認や検証を得るのは簡単です。
2. 確証は、危険な予測の結果である場合のみ、つまり、問題の理論について知らなければ、理論と矛盾する出来事、つまり理論を反証する出来事を予想していた場合のみ、考慮されるべきである。
3. すべての「優れた」科学理論は禁止事項です。つまり、特定の事柄が起こることを禁じるのです。禁止事項が多いほど、理論は優れたものになります。
4. 考えられるいかなる出来事によっても反駁できない理論は非科学的です。反駁不可能であることは（人々がよく考えるように）理論の長所ではなく、短所です。
5. 理論の真のテストはすべて、その理論を偽造、または反駁しようとする試みです。テスト可能性とは反証可能性ですが、テスト可能性には程度があります。ある理論は他の理論よりもテストしやすく、反駁されやすいです。つまり、それらの理論はより大きなリスクを負うことになります。
6. 確証証拠は、理論の真の検証の結果である場合を除いて、考慮されるべきではありません。つまり、それは理論を偽造しようとする真剣ではあるが失敗した試みとして提示される可能性があるということです。(私は今、そのような場合を「確証証拠」と呼んでいます。)
7. 真に検証可能な理論の中には、誤りであることが判明しても、その理論の信奉者によって支持されるものがある。たとえば、事後的に補助的な仮説や仮定を導入したり、理論を事後的に再解釈して反論を免れるようにしたりするなどである。このような手順は常に可能であるが、理論を反論から救うには、証拠を改ざんすることによってその科学的地位を破壊するか、少なくとも低下させるという代償を払わなければならない。科学的研究に着手する前に、まず時間をかけて検証プロトコルを書き留めておけば、改ざんの誘惑を最小限に抑えることができる。

ポッ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「理論は、2つの要件を満たしていれば良い理論である。それは、少数の任意の要素のみを含むモデルに基づいて、多数の観察を正確に記述しなければならないこと、そして将来の観察の結果について明確な予測をしなければならないことである」と述べている。彼はまた、帰納的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、「理論の予測に反する観察を1つでも見つければ、理論を反証できる」とも述べている。^[51]

しかし、多くの哲学者や科学史家は、反証可能な声明の集合としての理論というポパーの定義は間違っていると主張している^[52]。なぜなら、フィリップ・キッチャーが指摘したように、厳密にポパー流の「理論」の見方をすれば、1781年に初めて発見された天王星の観測はニュートンの天体力学を「反証」することになるからだ。むしろ、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実際に確認された。

キッチャーはポパーの「科学は失敗できる場合にのみ成功するという考えには確かに正しいところがある」という意見に同意している。^[53]また、科学理論には反証不可能な声明が含まれており、優れた理論は創造的でもある必要があるとも述べている。彼は、科学理論を「声明の精巧な集合」と見なすべきだと主張しており、その一部は反証不可能だが、他の一部、つまり彼が「補助仮説」と呼ぶものは反証可能である。

キッチャーによれば、優れた科学理論には3つの特徴がなければならない。^[53]

1. 統一性: 「科学は統一されるべきです。優れた理論は、幅広い問題に適用できる 1 つの問題解決戦略、または問題解決戦略の小さなファミリーで構成されています。」
2. 多産性: 「ニュートンのような偉大な科学理論は、新しい研究分野を切り開きます。理論は世界を見る新しい方法を提示するため、新しい疑問を抱かせ、新しい実りある研究の道に進むことができます。通常、繁栄する科学は不完全です。常に、現在答えられるよりも多くの疑問が生じます。しかし、不完全さは悪ではありません。逆に、不完全さは多産性の母です。優れた理論は生産的であるべきです。新しい疑問を生じさせ、問題解決戦略を放棄することなくそれらの疑問に答えられ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や、それが保存するように設計された理論とは独立して、独立して検証可能である必要があります。」(たとえば、海王星の存在の証拠は、天王星の軌道の異常とは独立しています。)

ポパーを含む他の理論の定義と同様に、キッチャーは理論には観測結果を伴う記述が含まれていなければならないことを明確にしています。しかし、天王星の軌道の不規則性の観測と同様に、反証は観測の起こりうる結果の 1 つにすぎません。新しい仮説の生成は、起こりうるもう 1 つの結果であり、同様に重要です。

科学理論の概念は、類推や比喩を使って説明されることもあります。たとえば、論理経験主義者のカール・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。

その用語は結び目によって表現され、結び目を結ぶ糸は、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ている。システム全体は、いわば観察面の上に浮かんでおり、解釈のルールによって観察面に繋がれている。これらは、ネットワークの一部ではないが、観察面の特定の場所とネットワークの特定のポイントを結び付ける紐と見ることができる。これらの解釈のつながりのおかげで、ネットワークは科学理論として機能することができる。特定の観察データから、解釈の紐を介して理論ネットワークのあるポイントに上昇し、そこから定義と仮説を介して他のポイントに進み、そこから別の解釈の紐によって観察面への下降が可能になる。^[54]

マイケル・ポラニーは理論と地図の類似点を次のように示しました。

理論とは、私とは別の何かである。それは規則の体系として紙の上に書き表されるかもしれない。そして、そのような言葉で完全に記述できるほど、理論は真の理論となる。数学理論はこの点で最高水準に達する。しかし、地図でさえ、未知の経験の領域を通り抜けるための厳格な規則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広がる一種の地図とみなすことができる。^[55]

科学理論は、世界に関する基本的な情報をまとめた本、つまり研究され、書かれ、共有されなければならない本と考えることもできます。1623 年、ガリレオ・ガリレイは次のように書いています。

哲学（つまり物理学）は、この壮大な本、つまり宇宙に書かれています。それは私たちの視線に常に開かれていますが、まず言語を理解し、それが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ません。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り、それらなしでは人間が一言も理解することは不可能です。これらがなければ、暗い迷路をさまよっているようなものです。^[56]

この本の比喩は、現代の科学哲学者イアン・ハッキングによる次の一節にも当てはまります。

私自身はアルゼンチンのファンタジーの方が好きです。神は昔のヨーロッパ人が想像したような自然の書物を書いていません。神はボルヘス図書館を書いており、その各書物は可能な限り簡潔ですが、他の書物と矛盾しています。冗長な書物はありません。すべての書物には、人間がアクセスできる自然の断片があり、その書物だけが、起こっていることの理解、予測、および影響を与えることができます...ライプニッツは、神は最も単純な法則を選択しながら、現象の多様性を最大化する世界を選んだと述べました。まさにその通りです。しかし、現象を最大化し、最も単純な法則を持つための最良の方法は、法則が互いに矛盾し、それぞれがこれまたはあれに適用され、どれもすべてに適用されないことです。^[57]

物理学において、理論という用語は一般に、特定のカテゴリの物理システムについて実験予測を行うことができる数学的枠組みを指すために使用されます。この枠組みは、少数の基本公理(通常は対称性、たとえば空間または時間における位置の等しさや、電子の同一性など) から派生したものです。良い例は古典電磁気学で、ゲージ対称性(ゲージ不変性と呼ばれることもある)から導かれる結果を、マクスウェル方程式と呼ばれるいくつかの方程式の形で包含します。古典電磁気学理論の特定の数学的側面は「電磁気学の法則」と呼ばれ、それらを支持する一貫性があり再現可能な証拠のレベルを反映しています。一般に電磁気学理論には、特定の状況に電磁気学がどのように適用されるかについての多数の仮説があります。これらの仮説の多くはすでに十分にテストされていると考えられていますが、常に新しい仮説が作成されており、おそらくはテストされていません。後者の例としては、放射反作用力があります。 2009年現在、シンクロトロンでは電荷の周期運動に対するその効果は検出可能だが、それは時間平均の効果としてのみである。現在、一部の研究者はこれらの効果を瞬間レベル（つまり時間平均ではない）で観測できる実験を検討している。^{[58] [59]}

多くの研究分野には、発生生物学など、特定の名前の付いた理論がないことに注意してください。名前の付いた理論以外の科学的知識でも、それを裏付ける証拠の量に応じて、高いレベルの確実性を持つことができます。また、理論は多くの分野から証拠を引き出すため、分類は絶対的ではないことにも注意してください。

• 生物学：細胞説、進化論（現代進化総合）、無生物起源​​説、細菌説、微粒子遺伝説、二重遺伝説、ヤング・ヘルムホルツ理論、対抗過程、凝集張力理論
• 化学：衝突理論、気体の運動論、ルイス理論、分子論、分子軌道理論、遷移状態理論、原子価結合理論
• 物理学：原子論、ビッグバン理論、ダイナモ理論、摂動論、相対性理論（古典力学の後継）、場の量子論
• 地球科学：気候変動理論（気候学から）、 ^[60] プレートテクトニクス理論（地質学から）月の起源の理論、月の錯覚の理論
• 天文学：自己重力システム、恒星の進化、太陽系星雲モデル、恒星元素合成

• セラーズ、ピアーズ（2016年8月17日）。「宇宙、気候変動、そして理論の本当の意味」。ニューヨーカー。 2016年8月18日閲覧。英国/米国の気象学者とNASAの宇宙飛行士による、人為的地球温暖化と「理論」に関するエッセイ。