科学理論

地球の月の形成理論の1つであるジャイアント・インパクト説で起こったとされる天体衝突の想像図

科学理論︵かがくりろん、英:scientific theory︶とは、広く受け入れられたプロトコルに即した観測や測定・その結果の評価を用いて科学的方法に従って繰り返しテストされ裏付けられた、自然科学における様々な側面に対する説明である。実験が可能であれば、科学理論は条件を厳しく制御された実験において直接確かめられる。その性質上実験的検証が困難な場合は、科学理論は仮説的推論を用いて検証される。確立された科学理論は厳しい追実験にも耐え、科学的知識として具現化される。

科学理論は、理論が﹁なぜ﹂﹁どのように﹂を説明しているのに対し、事実が単純に観測結果を、法則が多くの場合数式を使いながら事実同士の関係を記述しているという点で、科学的事実・科学法則とは異なる概念である。たとえば、アイザック・ニュートンによる万有引力の法則は物体間の相互作用を予測するために使われる単なる数式にすぎず、﹁どのように﹂重力が働いているか自体を説明できるものではない。科学史家のスティーヴン・ジェイ・グールドは著書﹃ドーバーの悪魔 ﹄で、﹁事実と理論は全く別物であり、その確実性の高さで階層化して分類されているものではない。事実とはこの世界のデータであり、理論は事実を説明・解釈する考え方からなる構造体である。﹂と記している。

科学の分野で用いられる﹁科学理論﹂︵短くするため単に理論とも呼ばれる︶という言葉の意味は、一般的に日常会話で使われている﹁理論﹂が指す意味と大きく異なる。毎日の会話で、﹁理論﹂は根拠のない推論的な予想を指す言葉であると暗に了解されたうえで使われているが、科学では厳密にテストされ、広く受け入れられている説明として使われている。

科学理論の強みは、説明できる現象の多様性とその単純さである。新しく科学的証拠が追加されることで理論が修正され、それでもその新しい発見と従来の理論が一致しない場合は理論自体が拒絶される。そのような状況では、当然より正確な理論が求められる。その中でもいくつかの理論は特に確立されているため、大きく覆ることはないだろうと考えられているものもある︵細胞説や進化論、地動説、プレートテクトニクス、細菌説、武漢起源説など︶。場合によっては、全ての条件下では当てはまらない古い科学理論・法則でも、特定の条件下では単純な理論でよい近似ができるとして今もなお有用であることもある。たとえばニュートン力学は、光速より十分に小さい速度下では特殊相対性理論を非常に正確に近似している。

科学理論は検証可能であり、反証可能な予言を行うことができる。それらは、特定の自然現象の原因を解明したり、物理的な宇宙やその他特定の分野での事象について説明・予想するために使われる。ほかの科学的知識と同様に、科学理論も演繹的であると同時に帰納的であり、物事を予想する力と説明する力を得ようとしている。科学者たちは科学理論を使ってほかの科学的知識を深めるだけでなく、技術や医学を発展させようともしている。

種類

相対性理論などの業績で知られるアルバート・アインシュタインは科学理論を﹁構成理論﹂と﹁原理理論﹂の2つに分類している。構成理論とは、たとえば気体分子運動論のように現象に対して建設的なモデルを構築する理論であり、原理理論とはニュートンの運動方程式のように経験的に現象を一般化する理論を指す。

特徴

必須の特徴

地球のプレートのマッピングがされたのは20世紀後半になってからだが、プレートテクトニクスの理論は地震や火山、大陸、海洋の分布や地球科学に関する多くの観測事実をうまく説明している。

ほとんどの学界で受け入れられている理論に対する1つの単純な基準がある。その不可欠な基準として、その理論が観察可能で再現可能であることである。この基準は、科学に対する詐欺を防止・看破し科学自身を永続的なものにするために必要不可欠である。

理論を含む科学的知識全般における特徴が、反証可能で検証可能な予想を行う能力があることである。この予想の関連性と特異性によって、それがどれだけ有用な理論かが決まる。もしその理論と称されるものから観測可能な予想が何一つされないとき、それはもはや科学理論とは全く言えない。テストするだけの特筆すべき点がないような予想も同様に有用とはされず、どちらも理論とは呼ばない。

もし以下の基準を満たしていれば、その知識の記述は理論と呼ばれる。

●幅広い科学分野にわたってその正確性が反証可能な予測を生み出せること。

●単一の論拠にとどまらず、多くの独立した証拠によって支持されていること。

●既存の実験結果に一致しており、従来の理論がある場合は少なくともそれと同程度に正確な予測ができること。

こうした性質は、一般相対性理論、特殊相対性理論、量子力学、進化論、プレートテクトニクスなどの現在確実に正しいとして確立されている理論に当てはまる。

その他の定義

さらにほとんどの科学者が、以下の基準を満たす理論をより好む。

●理論と完全に一致しないデータが発見されたときは、理論を微修正することでその理論の予測能力を常に向上させられること。

●オッカムの剃刀として知られているように、必要以上に複雑で冗長でないこと。アドホックな仮説として知られるように個々の現象それぞれを説明するには数え切れないような多数の代替案が存在し、それらをいちいち理論に反映させると複雑なものになっていく。それゆえ、検証可能性の面でも、複雑な理論より必要最低限の単純な理論のほうが好まれる。

学術団体による定義

米国科学アカデミーは科学理論を以下のように定義している。

﹁理論﹂のよりフォーマルな科学的定義は、この語が日常生活で持つ意味とは大きく異なっている。理論とは、膨大量の証拠に裏付けられた、自然の様相についての包括的説明である。科学理論は既に十分に確立されているものも多く、そうした理論を大きく覆すような証拠が登場する可能性は低い。例えば、地動説を否定するような太陽が地球の周りを公転していないという証拠、細胞説を否定するような生物の体が細胞で構成されていないという証拠、プレートテクトニクスを否定するような地球表面が地球科学的タイムスケールで移動する固体のプレートで覆われていないという証拠、そして原子は物質を構成していないという証拠といったものはまず出てこないだろう。理論の最も有用な点は、まだ観測されていない自然現象や出来事を予測することに利用できることである。

アメリカ科学振興協会は以下の定義を示している。

科学理論とは、観測や実験を通じて繰り返し確認された事実に基づく、自然界のある側面を十分に立証した説明である。こうした事実に基づく理論は﹁推論﹂ではなく、現実世界への信頼できる説明である。中でも生物進化論は﹁単なる理論﹂を超えた立ち位置であり、物質の原子論や病気の細菌説などと同等に確立されている。重力に対する私たちの理解は現在もまだ発展途上にあるが、それでも重力という現象は進化論同様、受け入れられている事実である。

つまり、理論という言葉はテストされていないが複雑な仮説や科学モデルについて適用すべき言葉ではない。

科学理論の形式

ロバート・フックにより初期の顕微鏡を用いて観察された細胞の図。この観察結果は細胞説の根拠となった。

科学的方法には、未実施の実験結果についての仮説から予想を行い、その予想が正しいかどうか実際にその実験で確かめるという、仮説の提案と検証というサイクルが含まれる。これにより、仮説を支持する証拠と否定する証拠の両方が集まる。特定の調査分野に対し十分の結果が集まると、科学者は次に、これらのうち可能な限り多くの証拠を説明する説明の枠組みを提案する。この説明に対しても検証がなされ、前述の基準を満たすまでになればその説明は理論として受け入れられる。十分な証拠を集めるのは複雑で困難な事例も多く、理論が完成するまでに何年も要することも常である。

十分基準に満たすようになれば、その説明は少なくともある一定数の現象については最も適合しているとして、科学者の間で広く科学的コンセンサスが得られる。できた科学理論は従来の理論では説明できなかったり正確な予測ができなかった事柄についても予想ができるようになり、根拠なき理論の改ざんの試みにも抵抗できるようになる。

証拠の強さは科学コミュニティーによって評価され、最も重要な追試は複数の独立したグループによって行われる。

理論が科学的に使えるものになるためには、必ずしもそれが完全無欠な正確さを持っている必要はない。たとえば、古典力学による予測は、相対論的領域では不正確になるが、通常人間が経験するような低速度においては十分正確といえる数字が出る。また化学において酸と塩基に関しては、酸性化合物と塩基性化合物の根底の性質について全く異なる説明がいくつも理論として存在するが、それらは化学反応の挙動を予測するのに役に立っている。

科学的知識と同様に、すべての理論は完全なる確実性を持っているわけではなく、将来の実験結果が理論的予測と矛盾する可能性を秘めている。しかしそれでも、科学理論は科学的知識の中で最高レベルの確実性を持っていると広く受け入れられており、たとえばすべての物体が重力の影響を受けていること、地球上の生命すべてがLUCAと呼ばれる共通祖先から進化したことなどがそれに当てはまる。

理論が既に強力な証拠によって信頼が担保されている場合、理論を受け入れるために主要な予測すべてをテストする必要はない。たとえば、そうした追実験の中には技術的な問題などで実行が非現実的なものもあり、その結果その理論は未確認のままの予測をすることになる。こうした場合は予測される結果についてはしばしば﹁理論的には﹂とことわりを入れたうえで記述されることも多い。これらの予測はのちに試行が可能になることもあり、その場合は理論が正しいか誤っているかを改めて確かめられる。

物理学者のリチャード・P・ファインマンは次のように述べている。

いくらあなたのその理論が美しくとも、またいくらあなたが賢くても関係ない。実験と一致しないのであれば、それは間違っている。。

理論の修正と改良

理論からの予測に反する実験結果が観測された場合、まず科学者はその実験計画が適切だったかを精査して評価し、独立した実験を行い再現性がある結果かを確認する。それから、理論に潜在的な改善の余地がないかを探し始める。解決には、理論に対して大きい・小さい修正を加えることを要するときもあれば、既存の理論の枠組み内で満足する説明が得られ理論自体に手を加える必要が全く無くなることもある。時間がたつにつれて修正された理論が互いの上に重なり合うことで、理論はより改善され予測精度も高まる。修正後の理論や全く新しい理論は従来のものよりも予測・説明の能力が高いことが要求されるため、科学的知識も時を経るにつれて正確になる。

既存の理論の修正で新しい実験結果をなお説明できない場合は、修正の枠を超えた全く新しい理論が必要になる場合がある。科学的知識は概して連続的であるため、その繋がりを断つような新理論の構築は修正に比べて滅多に起こることではない。さらに、その新理論が提唱され受け入れられるまでは、なお既存の理論が使われる。これは、新しい実験結果以外のほかの事象については、なお既存の理論が最もよく説明がなされていることが確かめられているからである。たとえば水星の近日点移動は1859年に確認され、ニュートン力学から外れていることが分かっていたが、その後1915年に提唱された一般相対性理論が十分な証拠をもって支持されるまではニュートン力学のみが最も適合した説明のできる理論として残り続けた。

また、新理論は1人の科学者から提唱されることもあれば複数のグループから提案されることもあるが、どちらにせよその修正の過程には多くの科学者の貢献が組み込まれていく。

受け入れられた後の新しい理論・修正された理論は従来のものより強い予測能力を持ち︵もしそうでなければそもそも受け入れられていないはずである︶、この新しい説明はさらに置き換えられたり修正されたりする可能性を持つ。追試を繰り返してもなお修正を必要としない場合、その理論は非常に正確であるといえる。つまり、受け入れられた理論は時間の経過とともに論拠を蓄積していき、その理論原理が受け入れられ続けた時間の長さこそがその理論を支える根拠の強さを意味している。

理論の統一

量子力学において、原子中の電子は原子核の周りの原子軌道を占有する。画像は3つのエネルギー準位︵1,2,3︶における水素原子の3種類の軌道︵s, p, d︶を表し、明るい領域が確率密度の高い領域に対応している。

理論の中には、2つ以上の理論それぞれをある1つの理論の近似や特殊例になっているとして説明するよう置き換えることがあり、これを理論の統一と呼ぶ。たとえば、電気と磁気は電磁気学として知られる1つの現象分野の側面の2つにすぎないことが分かっている。

異なる理論がそれぞれ矛盾しているように見える場合、この問題はさらなる証拠によって2つの理論が統一されることで解決するときがある。たとえば、19世紀の物理学では、太陽は生命の進化が起こるほどの地質学的変化が地球に起こるほど十分に長い期間燃焼し続けることはできないが、放出するエネルギーが昔は小さかったとすると今度は地球に変化を与えるにはエネルギー量が足りなくなるとして、科学者を悩ませてきた。これは、太陽のエネルギーが燃焼ではなく核融合で生じていると発見されたことで解決した。

またこうした矛盾は、より基本的で矛盾のない現象を近似する理論の結果として説明されることもある。たとえば原子論は量子力学の近似と言える。また、現在の物理学における理論では基本相互作用は4種類に分けられ、それぞれがほかの理論の近似となっているが、これらを統一する万物の理論と呼ばれる統一理論の存在可能性が研究されている。

相対性理論における例

1905年にアルバート・アインシュタインは特殊相対性理論の原理を発表し、すぐに理論となった。特殊相対性理論はガリレオ相対性理論とも呼ばれるガリレイ不変性のニュートン原理と電磁場の整合性を予想するものである。特殊相対性理論からエーテルの概念を除外することで、アインシュタインは相対運動をする物体内で測定される時間の遅れと長さの収縮はほかの慣性座標系でのそれと同等であることを主張した。つまり、物体がその観測者から観測されたとき、その物体は一定の方向を持つ速さを示す。それによってアインシュタインは、当時の実験的事実を解釈するためにエーテルの力学的特性を電気力学理論で説明できるよう導入されたローレンツ変換とローレンツ収縮の理論に重複してたどり着いた。洗練された理論である特殊相対性理論からは、質量とエネルギーの等価性や、電場の視点から見た電磁場の励起が磁場から見ると異なるというパラドックスの解決などの独自の結論が得られた。

アインシュタインは慣性系・加速系問わず全ての座標系に不変原理を導入しようと試みた。アインシュタインは遠隔作用である中心力のニュートン力学的な重力という概念を排し、重力場という概念を提唱した。1907年に発表されたアインシュタインの等価原理では、重力場における自由落下運動も慣性運動であることを示唆している。特殊相対性理論の効果を三次元空間に拡張することで、長さの収縮は空間の収縮に拡張され、すべての物体の経路を設定し幾何学的に変化する重力場としての四次元空間を考えることができる。これにより、質量を持たず重力に影響しないと考えられてきた、エネルギーでさえもこの四次元空間の﹁表面を曲げる﹂ことで物体の重力場での運動に作用できるようになる。しかし、エネルギーが膨大でない限りは空間の変化と時間の進む速度の低下の効果は、予測される運動に対してわずかな影響しか与えない。この点で、相対性理論はより説明的な科学的実在論として受け入れられている一方で、ニュートン力学は道具主義として依然ある程度の予測ができる理論として受け入れられている。計算するのが簡単なこともあり、NASAのエンジニアもほとんどの場合でニュートンの運動方程式を現在も使い続けている。

理論と法則

「科学法則」も参照

科学理論も科学法則も、仮説を立てそれを検証するという科学的方法を通じての産物である点、自然界の事象について予測を立てられる点では共通している。また、両方とも観測や実験による証拠によって支持される点でも同じである。しかし、科学法則はある限られた特定の条件下での自然現象のふるまいを記述しているにすぎないが、それに対して科学理論は範囲が広く、自然現象がどのように起こり、なぜその特定の条件下でそのようなふるまいをするのかの理由まで包括的に説明できる。科学理論は多くの異なった情報源による証拠に支えられているため、1つかそれ以上の科学法則を内包する。

よくある誤解として、科学理論は初歩的なアイデアに過ぎず、そこから十分なデータや証拠の蓄積を経て最終的に科学法則になると考えられることがしばしばある。しかし正しくは、新しい・より良い証拠が集まっても理論が法則に変わることはなく、理論は理論のままであり法則は法則のまま変わらない。理論と法則の両方が、相反する証拠によって改ざんされることもありうる。

理論や法則は仮説ともまた異なる。仮説とは違い、理論や法則は単に科学的事実と呼ばれることもある。しかし、正しくは科学においては、いくらその理論が十分に裏付けられていようと、その理論は事実とは異なる。たとえば、進化論は理論でもあると同時に事実でもあり、理論が事実と同じ扱いまで格上げされているわけではない。

理論への見方

公理としての理論

論理実証主義者たちは科学理論を形式言語における記述と考えていた。一階述語論理が形式言語の例である。論理実証主義者はこれと同様の科学的言語を想定していた。言語には、科学理論のほかにも観測文︵太陽が東から昇った、など︶や定義、数学的記述が含まれている。理論で説明される現象は、誰も五感でその存在を直接観測できない場合︵たとえば原子や電波なども含む︶、概念自体が理論的に扱われる。この視点においては、理論は公理として機能し、ユークリッド幾何学で導出された定理と同様に理論から観測結果を予測できる。ただし、予測に反する現実の結果がないかテストされ、その結果によってこの公理は修正される。

科学哲学において﹁受け取られた理論の視点﹂というフレーズはこのアプローチで使われてきた。一般的に関連する言葉として﹁言語学的﹂︵理論は言語によって構成されるため︶と﹁構文的﹂︵言語は記号をつなぎ合わせる方法についての規則を持ち合わせているため︶がある。この種の定義を厳密に定義する際の問題、たとえば顕微鏡を通してみた物体を観察上の物体ととるか理論上の物体ととるかなどは、1970年代に論理実証主義自体に対して終わりをもたらした。

モデルとしての理論

詳細は「モデリング_(科学的)」を参照

水星軌道の近日点の歳差運動を誇張して表現した図。古典力学で予想される点からの水星の実際の位置のずれは、100年あたり43秒角（1度の約90分の1）である

科学理論を命題ではなく科学モデルで特定する、理論の意味論的視点は、科学哲学における理論形成の分野において、受け入れられた理論の視点に代わって主流となっている。モデルは、地図がその年や国の領域を表すためのグラフィックモデルであると同様に、現実を表現するための論理的枠組みである。

このアプローチによると、科学理論は、モデルのうち前述の定義を満たすという特別なカテゴリーを持つものと捉えられる。モデルを記述するために言語を使えるが、理論はモデルそのもの︵あるいは似たようなモデルの集合︶であり、モデルを書き下したものではない。

例えば、太陽系のモデルは太陽と惑星を表した抽象的なオブジェクトで構成されることがある。これらのオブジェクトは位置や速度、質量といった物理量をもっている。ニュートン力学による重力といったモデルのパラメーターは、時間に沿ってオブジェクトの位置や速度がどのように変化するかを決定する。このモデルは、予想された位置に天体があるかどうか将来観測することでテストでき、実際に天文学者たちは長い間にわたって惑星の位置がモデルに沿って正確に移動することを確認している。ほとんどの惑星でニュートン力学モデルによる予測が正確であるが、水星だけはわずかに不正確で代わりに一般相対性理論によるモデルを使う必要がある。

意味論という言葉は、モデルが現実世界を表現する方法を表す。モデルによる表現は、現象の特定の側面や現象間の相互作用を記述する。例えば、家屋や太陽系の縮尺模型は実際の家屋・太陽系そのものではないのは明らかであるが、家屋や太陽系のある一面は特定のある方法でのみ、その縮尺模型にも表れている。家の縮尺模型は実際の家ではないが、その家について知りたい人にとっては十分満ち足りるものであるように、現実を理解したい科学者にとっても詳細な縮尺モデルで事足りる場合もある。

"理論"と"モデル"の違い

詳細は「コンセプトモデル」を参照

複数の評論家が、モデルが記述的に限られる︵そして限られた意味で予測的である︶のに対し、理論は記述的であると同じくらい説明的であることが際立った特徴となっていることを指摘している。哲学者のスティーブン・ペッパーもまた理論とモデルを区別し、1948年に一般的にモデルと理論は、科学者がどのように現象を理論化・モデル化し実験可能な仮説にたどり着くかという点で、植物の根に比喩されると述べている。

工学分野では数理モデルと物理モデルは区別される。CADなどのコンピューターソフトウェアを使って最初に数理モデルを作っておくことで、物理モデルの製造コストを最小化できる。構成部品はそれぞれモデル化され、製造公差が指定されている。分解図は製造過程をレイアウトするために使われる。各アセンブリを表示するシミュレーションソフトにより、それぞれの部品を現実のように詳細に回転・サイズ変更させることができる。建設における部品表を作成するソフトウェアにより、下請け業者が各々のアセンブリの組み立てに特化することで、製造コストを複数の顧客に分散できる。

理論の定式化の際の仮定

仮定・公理は証拠なしで受け入れられる記述である。たとえば仮定は論理的な議論の前提に用いられる。アイザック・アシモフは仮定についてこう述べている。

仮定自体が正しいか間違っているかを議論すること自体が誤りである。なぜなら、それを証明する方法が無いからであり、もし証明できたのならそれはもはや仮定ではない。仮定が有用かどうかは、そこから生じる推論が現実にどれだけ即しているかで考えるのが良い。私たちはどこか出発点を持たなくてはならず、そのために少なくともいくつかの仮定を持たせてほしい。

すべての経験的主張︵現実が存在するという主張も含む︶には、特定の仮定が必要となる。しかし、理論は一般的に従来の意味での仮定︵証拠なしで受け入れられる記述︶を行わない。新しい理論が構築される際に仮定が用いられることはよくあるが、これらは証拠︵従来の理論など︶にある程度支持されるか、また理論の検証中に証拠が生まれる点で本来の仮定とは異なる。これは理論が正確な予測をすることの観察と同じくらい簡単かもしれず、試行条件下で最初に行われた仮定が正しいかある程度正しいかの証拠になる。

仮定が有効な場合、またはほぼ有効な場合にのみ理論を適用することを意図している場合は、証拠のない従来の仮定を用いることができる。たとえば特殊相対性理論は慣性系を前提としている。理論は仮定が有効であれば正確な予測を示し、有効でなければ予測は正確にならない。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になることもよくある。たとえば、一般相対性理論は非慣性系でも成立する。

論評

科学哲学者による評論

カール・ポパーは科学理論の特徴を以下のように説明している。

(一)確証を探すことで、ほぼすべての理論について簡単に確証・検証結果を得ることができる。

(二)確証は、危険な予測の結果であるときのみ数えられるべきである。つまり、問いになっている理論で説かれていなければ、我々は理論と相容れない出来事、つまり理論を反芻する出来事を期待すべきだったのである。

(三)﹁優れた﹂理論とは全て何かを禁止するものであり、特定のことが起こることを禁ずる。理論が多くのことを禁ずれば禁ずるほどその理論は優れている。

(四)考えられる限りのいかなる出来事によっても反芻できない理論はもはや科学的ではない。多くの人は何にも反芻できないことが理論の美徳であると考えがちであるが、むしろそれは悪である。

(五)理論への真のテストとは、すべて理論を反証するか反芻しようとする試みである。試行可能性とは反証可能性であるが、その程度にも度合いがあり、試行可能性の高い理論はより反証にさらされやすく、危険にさらされている。

(六)証拠の確認は、それが真にその理論の試行である時以外は確認として数えてはいけない。これは、理論を反証するための重大な試みとして扱われることがあるが、﹁裏付け証拠﹂の確認をしているだけならばそれは失敗に終わっている。

(七)真に試行可能な理論の場合、それが誤った理論と分かっても一部の支持者によって依然支持され、誤りと棄却されることを防ぐために、事後的に補助的な仮説や仮定を導入したり、事後的に理論を再解釈されることがある。こうした手順はいつでも可能であるが、科学における不正行為により科学的地位を捨てるか低下させることによってしか理論を反芻から無理やり救うことはできない。こうした誘惑は、科学研究を始める前に実験プロトコルを書き留めておくことで最小化できる。

ポパーは、理論の科学的地位の中心となる基準は、﹁反証可能性、または反芻可能性、または検証可能性﹂であると結論付けている。

宇宙物理学者のスティーヴン・ホーキングはこれに呼応して、﹁任意のわずかな要素しか含まない基礎的なモデルに基づいて、多くの観測結果を描写できること、そして将来の観測結果について明確な予測ができること、この2つを満たすときその理論は優れていると言える﹂と論じた。ホーキングはさらに機能的な論理からの必然的結果である、理論の﹁反証可能だが証明不可能﹂な性質についても踏み込んで論じ、﹁理論の予測と一致しない観測結果を1つでも見つけることができれば、その理論を反芻できる﹂と述べている。

しかし、科学哲学者や科学史家の中には、反証可能な論述のセットとしてのポパーの理論についての定義は間違っていると指摘する者もいる。その理由としてフィリップ・キッチャーは、ポパーの理論についての視点を厳密に解釈すると、1781年の天王星の発見はニュートン力学を﹁改ざん﹂することにつながったはずであり、実際はむしろ人々は天王星の軌道も未知の惑星の影響を受けていると考えるようになり、1846年に海王星が発見されたことでそれが確認されているという一連の例を挙げている。キッチャーはポパーの言う﹁科学は失敗可能なときにのみ成功があるという考え方には確実に何か正しいものがある﹂という考え方には同意している。キッチャーはまた、科学理論の中には反証できない内容も含まれており、優れた理論は創造的でもあるべきだと述べている。キッチャーは私たちが科学理論を﹁精巧な記述の集まり﹂と見ていると主張し、その中には反証できないものもあれば、キッチャーが﹁補助仮説﹂と呼ぶようなものもあるとしている。

キッチャーによる、優れた理論の基準は次の3要素である。

(一)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対処できる、たった1つか一群の問題解決のストラテジーを含んでいる。﹂

(二)多産性: ﹁ニュートン力学のように、優れた理論は新たな分野自体を開拓する。なぜなら理論は世界の新しい見方を提示するので、私たちに新しい疑問を抱かせ、新しい研究を始めさせる。実りある科学とは不完全であり、いつでも、提示できる正しい答えより多くの疑問を抱いている。しかしこの不完全さは悪いことではなく、逆に科学の繁栄の母でこそある。優れた理論は創造的でなくてはならず、新しい疑問を提起し問題解決をあきらめることなく答えを出せると仮定できなければならない。﹂

(三)独立して検証可能な補助仮説:﹁補助仮説は、解決するために導入された特定の問題や、それを保存するために設計された理論とは無関係に、試行可能であるべきである。たとえば、海王星が存在することの証拠は、天王星の軌道変化とは無関係である。﹂

ポパーのものも含む理論に対する他の定義と同様に、キッチャーは理論には観測的な結果を持つ内容を含む必要があることを明確にしている。しかし、天王星軌道の変化の観測のように、改ざんは観測の持つ結果としては可能性の1つにしかすぎない。新しい仮説が生まれるという結果も、同様に重要な可能性であると主張している。

アナロジーと比喩による論評

科学理論の持つコンセプトは、アナロジーや比喩表現で取り上げられることもある。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以下のように、複雑な空間のネットワークになぞらえた。

科学理論という用語は糸の結び目に例えられるが、この一部は定義に対応し、また一部は理論に含まれる基本的または派生的な仮説に対応している。理論の体系全体は観測が占める空間の上にいわば浮かんでいるのであり、解釈の規則がそれをそこにつなぎ留めている。これらはネットワークの一部ではないが、ネットワークの特定のポイントを観測空間の特定の場所につなげる文字列であると見なされるだろう。これらの解釈的な繋がりのおかげで、このネットワークは科学理論として機能する。つまり、特定の観測データから解釈を通じて理論ネットワークの決まった点に到達し、そこから定義と解釈を用いて次の点に進むことができる。また、ほかの解釈が観測空間のほかの点へ降りることも可能とする。

博物学者のマイケル・ポランニーは科学理論と地図の類似性をこう述べている。 

A理論とは自分以外のものである。 理論は規則の体系として紙の上に表されるかもしれないが、理論がそうした言葉で完全に書き起こされるほど、その理論はより真の理論であるといえる。この点では、数学的理論がその最高点に達しているだろう。しかし地理的な地図でさえも、初めて訪れる地域で道を探す際の厳格なルールを完全に具現化しているのである。実際に、すべての理論は空間的・時間的に拡張されたある種の地図であると見なすことができる。

科学理論を、世界についての基本的情報が書かれた本として、そして研究し書き加え共有しなければならない本として考える例もある。1623年にガリレオ・ガリレイはこのように記している。

哲学︵当時の物理学︶は、宇宙というこの壮大な本に書かれている。この本は常に私たちに開かれてはいるものの、最初に言語やそこに書かれている文字の解釈の仕方を学ばなければ読むことができない。この本は数学的言語で書かれているが、その文字は円や三角形といった幾何学図形であるため、正しい解釈なしでは人間にその文字を読むことはできず、暗い迷路の中を彷徨うことになるだろう。

理論を本に例える表現は、科学哲学者のイアン・ハッキングによる次のような一節にもみられる。

私自身はホルヘ・ルイス・ボルヘスのファンタジーが好きである。彼の書いた﹁バベルの図書館﹂において、神は古いヨーロッパの神話で想像されたような種類の自然界についての本を書かずに、それぞれの本は可能な限り簡潔で、それぞれが互いに矛盾していた。冗長な本は存在しない。すべての本には人間がアクセス可能な自然の一部が存在し、その本だけが、何が起こっているかを理解しこれから起こることを予測しそれに干渉することを可能にする。数学者ゴットフリート・ライプニッツは、神は最も単純な法則で最大限に多様な現象の起こる世界を選択したと言ったが、現象をもっとも簡単な法則で最大化させる方法は、法則同士を矛盾させ、法則が適用できるものとできないものを織り交ぜることであろう。

物理学における科学理論

茨城県のJ-PARCにある50GeV 陽子シンクロトロン

物理学では、理論という言葉は一般的に、特定の物理系への実験的予測ができる、少数の公理︵空間または時間に対する位置の同等性や、電子の同一性などの対称性など︶に基づく数学的枠組みに対して使われることがある。そのよい例が古典電磁気学で、マクスウェルの方程式と呼ばれる数個の方程式による形式で、ゲージ対称性︵ゲージ不変︶から導出される結果を含んでいる。古典電磁気学理論の一部の数学的要素は、それらを支持する一貫した再現性のある証拠を反映した結果、電磁気学の法則とも呼ばれている。一般的に電磁気学の理論において、特定の状況で電磁気学がどのように応用できるかについて多数の仮説がある。こうした仮説の多くは既に十分実験的に試されているが、今現在も常に新しく未試行の仮説が多数作られている。その例の1つがアブラハム・ローレンツ力で、現在も電荷の周期的運動に対する効果をシンクロトロンで検出することはできるが、その検出結果はあくまで時間平均されたものしか捉えられていない。日本の研究者が現在、これらの効果を時間平均されていない瞬間的なレベルで観測する実験計画を行っている。

実例

多くの研究分野には、たとえば﹁発生生物学﹂のような特定の名前が付いていないこともある。名前のついた理論以外の科学的知識も、支持する証拠の量によっては高いレベルの確実性を持つと受け入れられる。また、1つの理論を支える証拠の分野は1つに限らないので、理論における学問の分類も絶対的ではない。

• 生物学 - 細胞説、進化論（ネオダーウィニズム）、生命の起源、粒子遺伝説、二重相続理論、ヤング＝ヘルムホルツの三色説など
• 化学 - 衝突理論、気体分子運動論、ルイスの理論、分子論、分子軌道法、遷移状態理論、原子価結合法など
• 物理学 - 原子論、ビッグバン、ダイナモ理論、摂動論、相対論（古典力学からの置き換え)、場の量子論
• 地球科学 - 地球温暖化、プレートテクトニクス、月の錯視
• 天文学 - 恒星進化論、星雲説、恒星内元素合成

その他参考文献

• Sellers, Piers (2016年8月17日). “Space, Climate Change, and the Real Meaning of Theory”. ザ・ニューヨーカー. http://www.newyorker.com/tech/elements/space-climate-change-and-the-real-meaning-of-theory.  - 欧米の宇宙飛行士と気象学者が人為的要因による地球温暖化と理論について書いたエッセイ

関連項目

• 実験
• 理論計算機科学
• 理論物理学
• 理論生物学
• 理論化学

外部リンク

• ウィキメディア・コモンズには、科学理論に関するカテゴリがあります。