科學理論

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科學理論粵拼fo1 hok6 lei5 leon6英文scientific theory)係指一個解釋世界某一部份點運作嘅模型,會作出一啲可以用科學方法驗證嘅預測。

理論嘅特性[編輯]

睇埋:科學同埋證據

喺廿一世紀初嘅科學界,一個「科學理論」係指一嚿知識體-一柞描述緊某啲現象嘅講法-而個理論係達到以下嘅呢啲條件[1]

  1. 個理論本身會做一啲有可否證性嘅預測;
  2. 個理論會同由實驗觀察度攞到嘅數據夾得埋;
  3. 個理論有嚟自唔同源頭嘅證據支持。

例如進化論係廿一世紀初嘅科學上好有影響力嘅一個科學理論。根據呢個理論嘅最廣義版本,一個種群生物內部各基因嘅出現頻率會隨住時間而一代一代噉慢慢改變,呢個過程就係所謂嘅進化[2],而且進化仲有得細分做微進化同埋宏進化兩種,當中後者係指進化引起嘅變化大到令進化前後兩個種群成為咗兩個唔同嘅物種[3];進化論合乎嗮科學理論嘅三大特性:

  • 「一個種群嘅內部各基因嘅出現頻率有冇隨世代而起變化」呢樣嘢只要有方法量度基因(可以睇吓遺傳學方面嘅技術),就可以驗證,如果搵咗一大柞生物種群返嚟,發覺每個種群內部各基因嘅頻率都係定死咗唔變,就會否證進化論(有可否證性);
  • 實驗同觀察表明,種群內部各基因嘅出現頻率的確係會隨世代而起變化;
  • 證據:除咗「响實驗室入面睇吓到生物種群內部嘅基因真係會慢慢噉變化」之外,進化嘅現象仲可以喺好多地方嗰度睇到,例子有[4][5]
    • 人工選擇-養殖生物嘅人為咗自己嘅目的而特登淨係俾佢哋鍾意嗰啲個體繁殖,令到一個種群變到愈嚟愈似佢哋想要嘅樣,响寵物配種嗰度成日用到;同埋
    • 化石-睇得到唔同時代嘅化石展現生物物種喺形態上慢慢噉起變化。

... 呀噉。

假說[編輯]

內文:假說
睇埋:肯定後項

假說(hypothesis)喺科學上係指一啲由科學理論嗰度推理出嚟嘅陳述(「如果個理論係真,噉 H 呢句嘢應該會係真」,當中 H 就係一句假說),有可以直接噉驗證,但未經證實。每當有科學家提出新嘅理論去解釋某啲打前解釋唔到嘅現象嗰陣,科學界通常第一時間想做嘅嘢就係會想去搵啲方法嚟去驗證吓個理論。佢哋會由個理論嗰度開始諗吓「如果個理論係真嘅,會引起啲乜嘢假說」,跟住佢哋就會去設計啲實驗出嚟去驗證吓呢啲假說。例如係頭先講咗嘅進化論噉[6]

  • 根據進化論,一個種群有可能喺短時間之內啲基因頻率一代代噉變;

噉如果攞(例如)一個種群嘅飛蛾嚟睇,設 做其中一個基因喺呢個種群入面出現嘅頻率;如果進化論係真確嘅,應該會有最少一個 會喺幾代之間唔同咗-而假設有現代嘅遺傳學知識,「會有最少一個 會喺幾代之間唔同咗」呢句假說有得靠直接嘅觀察嚟驗證。喺成個諗嘢過程入面,研究者用咗「如果...,噉應該...」(if... then...)嘅邏輯-「如果 A 係真,噉 B 應該都會係真」,既然係噉,如果發現咗 B 唔係真,噉 A 就應該唔係真。「有最少一個 會喺幾代之間唔同咗」呢句嘢喺呢度就係一個假說:句嘢由進化論嗰度推理出嚟,有得用觀察驗證[7]

變數[編輯]

內文:變數 (科研)

變數(variable)係科學理論同假說實會有嘅嘢。一個變數係指宇宙入面一個數值有可能變化、兼且係形容緊某啲嘢嘅特性。例如智能性格呢啲特性都可以攞嚟形容人,而且呢幾樣嘢個個人都唔同(數值可以變化),所以呢三個都係屬「攞嚟形容人」嘅變數。體積質量呢啲可以攞嚟形容人或者物件都得,而且呢兩樣嘢個個人件件物件都可以唔同,所以都係屬於「形容人同物件」嘅變數[8]。變數大致上有得分做兩種:

  • 連續變數(continuous variable)指啲有得用數嚟量度、兼且去到小數點後幾多位都得嘅變數;呢啲數值攞得嚟比較大細同埋做數學嘅運算。例如人有幾高幾重都可以講係連續變數-身高同體重有得用數嚟度(兼且可以用有小數點後好多個位嘅數字)。研究者有得用呢柞數值嚟比較唔同人嘅身高同體重,仲可以用呢啲數值嚟計數;
  • 相反,「宗教」(社會科學研究有陣時會用到)就係一個唔連續變數(discrete variable)-「一個人信邊個教」呢家嘢唔可以用數嚟度,而且個值一般都唔可以攞嚟做算術運算:「183 cm」同「80 kg」呢啲數值有得加減乘除,而「信佛」同「信耶穌」呢啲值雖然都係形容緊人,但冇得攞計數機去撳

順帶一提,統計學同相關嘅領域有對「變數嘅分類同特性」有詳細著墨。

變數例子
幾粒互相連住嘅神經細胞(黑色嗰啲);根據海伯法則,佢哋之間「同唔同時傳訊」會令佢哋之間嗰啲突觸起變化。

變數係科學嘅關鍵,因為基本上科學成個目標就係要去了解宇宙咁多嘅變數之間有咩關係。例如以下呢柞科學定律都係講緊某一啲變數之間嘅關係:

  • 牛頓萬有引力定律
    • 呢條定律係講緊兩嚿嘢之間嘅萬有引力同兩嚿嘢嘅質量距離有乜嘢關係;條式有四個變數:引力()、兩嚿嘢嘅質量()同埋兩嚿嘢之間嘅距離()。呢四個變數都係連續變數-可以攞數嚟度同埋做加減乘除,而物理學家工程師等嘅人亦都真係會攞呢條式嚟計嘢。
  • 歐姆定律(Ohm's law):
    • 呢條係電磁學(研究物理學分枝)上嘅一條常用定律,意思係講通過一嚿導電體(指過到電嘅物體)嘅電流)同施加喺嗰嚿導體兩頭嘅電壓)成正比,又同嚿導體嘅電阻)成反比。條式總共有三個變數:電流、電壓同電阻,而且三個都係連續變數[9]
  • 需求定律(law of demand):一條經濟學(研究資源分配嘅社會科學)上嘅定律;需求定律係講緊話,假設第啲因素唔變,當一件貨品價錢升,對件貨品嘅需求量(指消費者有能力同肯買幾多件)會跟住跌,反之亦然;簡單嚟講,即係話「一樣嘢愈貴就愈少人買」。呢條定律入面有兩個變數:價錢同需求量,而呢條定律話佢哋之間有住反比嘅關係[10]
  • 海伯法則(Hebbian rule):神經科學(研究神經系統嘅科學)上嘅一條定律,講喺個入面,兩粒神經細胞愈係會一齊射神經脈衝(簡單講就係訊號),兩粒細胞就愈係會連埋一齊。呢條規律同埋佢嗰柞變種大體上有兩個變數:「兩粒神經細胞有幾常會一齊射脈衝」同埋「嗰兩個神經細胞之間嘅連結有幾強」,而呢條規律話呢兩個變數係成正比[11][12]

無論係邊個學科都好,科學嘅重點基本上就係想搵出變數同變數之間有啲乜嘢關係,而「知道嗮成個宇宙入面所有嘅變數同埋佢哋之間嘅相互關係」可以話係科學嘅終極目標。變數嘅重要性亦都反映咗喺科研文獻嘅書寫嗰度:喺寫一份科研文獻嗰陣,寫嗰個研究者一般都一定要搞掂一樣嘢-講清講楚自己嗰啲假說度有啲乜嘢變數喺入面,同埋係呢柞變數點樣定義[13]

奧坎剃刀[編輯]

內文:奧坎剃刀

次次學界發現親啲乜嘢前所未見嘅自然現象,相關學科嘅科學家就會各自噉諗柞理論出嚟去解釋佢。而當有成柞理論都係喺度嘗試緊解釋同一柞現象嗰陣時,啲科學家就焗住要揀返個最好嘅理論。於是乎科學家就諗咗一啲準則出嚟去決定一個理論「點樣先至為止好」。奧坎剃刀(Occam's razor)就係其中一條最出名嘅評鑑基準。奧坎剃刀呢條原則查實就好簡單:假設第啲因素不變,科學家會比較鍾意用簡潔啲嘅理論;即係話如果有兩個科學理論都係解釋緊同一柞現象,而佢哋嘅證據強度同解釋力一樣咁強嘅話,科學家一般都會揀(例如)用變數少啲、或者方程式嘅數量少啲嗰個理論[14]

存在嘅理由

奧坎剃刀嘅存在原因有好多:一方面,因為西人自古以嚟就覺得優雅就係「用最少嘅氣力做最多嘅嘢」-呢點喺佢哋嘅藝術方面都睇得到;而另一方面,呢條準則亦都同可否證性有啦掕-當一個理論牽涉到好多個變數嗰陣,驗證個理論嘅時候就愈難控制嗮所有嘅變數,而呢點令到用個理論嘅科學家容易搵到啲事後孔明嘅解法嚟去為自己個理論辯護,例如想像兩個理論,兩個理論都係嘗試緊解釋同一種現象,不過

  • 理論 A 啲方程式得 4 個變數、
  • 理論 B 啲方程式有成 30 個變數咁多、

假設第啲因素不變,要控制嗮理論 B 嗰啲變數難過要控制嗮理論 A 嗰啲,所以响做實驗同觀察嗰陣,理論 B 有更加大嘅機會出現以下噉嘅情況:數據唔撐個理論啲假說,但幫個理論辯護嘅人詏,話個結果之所以會係噉只不過係因為冇控制嗮所有嘅變數-「今次嘅實驗淨係控制咗其中 20 個變數,淨低嗰 10 個變數冇量度到,所以今次實驗唔算真係測試到個理論」 ;相比之下,理論 A 得嗰 4 個變數,假設第啲因素不變,要控制嗮啲變數會相對容易-一個理論「變數多」間接令個理論更加難驗證[15][16]

「只係一個理論」[編輯]

啲人成日對科學理論有誤解。例如有啲人喺批評進化論嗰陣,其中一個最常見嘅講法係話進化只不過係一個理論(evolution is just a theory)。對於呢個論調,英國科學家道金斯(Richard Dawkins)就噉講:

原版英文:"People sometimes try to score debating points by saying, "Evolution is only a theory." That is correct, but it's important to understand what that means. It is also only a theory that the world goes round the Sun — it's just a theory for which there is an immense amount of evidence."
粵文翻譯:啲人有陣時會嘗試喺辯論當中用噉嘅方法爭分數(指嘗試贏一場辯論),話「進化只不過係一個理論」。呢個講法正確,不過人有需要理解呢句嘢係乜嘢意思。「世界圍住太陽轉」都一樣只係一個理論-只係一個有極大量證據支撐嘅理論。

喺日常英文用語裏面,theory(粵文一般會譯做「理論」)呢個字最廣義上可以係指「對某啲現象嘅講法」[17],而根據呢個定義,「地球圍住太陽轉」同「舊約聖經係歷史」等嘅諗法都一樣係「理論」。喺嚴謹嘅科學上,科學理論係指「嘗試對大自然某啲現象作出,而且有一定證據支撐」嘅解釋;事實上,進化論受到相當大量嘅證據支撐,而且喺實際應用上真係能夠攞嚟預測現象[18][19],所以一般認為,進化論算係一個嚴謹科學定義上嘅理論,而「舊約聖經係歷史」呢一個諗法唔算[20]

睇埋[編輯]

參攷[編輯]

  1. Handfield, R. B., & Melnyk, S. A. (1998). The scientific theory-building process: a primer using the case of TQM. Journal of operations management, 16(4), 321-339.
  2. What is microevolution?.
  3. Hautmann, Michael (2020). "What is macroevolution?". Palaeontology. 63 (1): 1–11.
  4. Adams, Jill U. (2008). "Genetics of Dog Breeding". Nature Education. 1 (1).
  5. Trut, Lyudmila (1999). "Early Canid Domestication: The Farm-Fox Experiment". American Scientist. 87 (2): 160. doi:10.1511/1999.2.160.
  6. Hempel, C. G. (1966). Philosophy of natural science. Pearson: Prentice Hall.
  7. Serlin, R. C. (1987). Hypothesis testing, theory building, and the philosophy of science. Journal of Counseling Psychology, 34(4), 365.
  8. Michell, J. (1993). The origins of the representational theory of measurement: Helmholtz, Hölder, and Russell. Studies in History and Philosophy of Science, 24, 185-206.
  9. Robert A. Millikan and E. S. Bishop (1917). Elements of Electricity. American Technical Society. p. 54. "Ohm's law current directly proportional".
  10. Definition of 'Law Of Demand'. Economics Times.
  11. H. H. Lund. Neural building blocks. In 1st International IEEE EMB Conference on Neural Engineering, Capri, Italy, March 20-22 2003. IEEE Press
  12. Caporale N; Dan Y (2008). "Spike timing-dependent plasticity: a Hebbian learning rule". Annual Review of Neuroscience. 31: 25–46.
  13. "11 steps to structuring a science paper editors will take seriously". 原著喺2017年8月1號歸檔. 喺2017年7月4號搵到.
  14. Blumer, A., Ehrenfeucht, A., Haussler, D., & Warmuth, M. K. (1987). Occam's razor. Information processing letters, 24(6), 377-380.
  15. Domingos, P. (1999). The role of Occam's razor in knowledge discovery. Data mining and knowledge discovery, 3(4), 409-425.
  16. Rasmussen, C. E., & Ghahramani, Z. (2001). Occam's razor. Advances in neural information processing systems, 294-300.
  17. Fitzhugh, Kirk (2007). "Fact, theory, test and evolution". Letter to the Editor. Zoologica Scripta: 071027215047001.
  18. 引用錯誤 無效嘅<ref>標籤;無文字提供畀叫做baym2016嘅參照
  19. Dobzhansky, Theodosius (March 1973). "Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution". The American Biology Teacher. 35 (3): 125–129.
  20. Branch, Glenn; Mead, Louise (July 2008). "'Theory' in Theory and Practice". Evolution: Education and Outreach. 1 (3): 287–289.