Hypotese og teori

En hypotese gir en god vitenskapelig forklaring på velkjente fakta.  En hypotese er en påstand som kan testes ved bruk av den vitenskapelige metode. Hypotesen er falsifiserbar og således sann eller falsk. En god hypotesen får en logisk konsekvens og kan brukes til å forutsi hendelser (prediktere). En prediksjon er en logisk konsekvens av hypotesen. Prediksjonen kan testes i et kontrollert eksperiment eller observasjonsstudium,  og statistisk analyse (inferens) av forsøksresultatene avgjør om hypotesen kan beholdes eller forkastes. Hypotesen formuleres som en konklusjon,  bekreftende, og ikke spørrende. Naturvitenskapelige hypoteser innen fysikk, kjemi og biologi har gitt mennesket grunnleggende kunnskap om universet, naturen og oss selv.

Teori

En hypotese godt understøttet av reproduserbare eksperimenter og observasjoner leder til en teori (gr. theoria - betraktning). For eksempel van Valens Rød dronning hypotese om adapsjon, rustningskappløpet mellom predator-byttedyr, parasitt-vert og mulig utryddelse, livskappløpet (Rød dronning hypotese /Red Queen) , etter Lewis Carroll: Gjennom speilet ( Through the looking-glass)).

En teori er den samlede forklaring på alle hypotesene eller alle resultatene fra eksperimentelle data tilknyttet observasjonene som teorien bygger på. En god teori vokser og gir nye fakta, viser sammenheng mellom teorier, og reduserer komplekse systemer til enklere årsakssammenhenger.

Gode vitenskaptelige teorier er Darwin-Wallace evolusjonsteori, Einsteins relativitetsteori (den generelle og spesielle), kvanteteorien, Newtons gravitasjonsteori, Wegeners platetektonikkteori, og Margulis endosymbiontteori. Til alle disse er det knyttet statistikk og sannsynlighetstetthetsfunksjoner.

De vitenskapelige teoriene og måleinstrumentene har gitt mennesket en enestående forståelse av hvordan våre nære og fjerne naturomgivelser funger, og hvordan det er "skrudd sammen". Det meste av det som tidligere var omgitt av en aura med guddommelighet og mystikk har i vår tid fått en naturlig forklaring. Teoriene forklarer det man observerer.

Vitenskapelige lover

I tilknytning til de mer generelle og omfattende teoriene har vi en rekke vitenskapelige lover som beskriver og predikerer hvordan naturen oppfører seg gitt visse betingelser og forutsetninger, slik som Mendels arvelover, gasslovene, termodynamikkens lover, Newtons bevegelseslover, Mendeleevs periodelover for ordning av grunnstoffene i periodesystemet, Darcys lov for væskestrømning i porøse medier, Ohms lov for elektrisk strøm, og Fourieis lov for varmeoverføring.

Noen av dem har form som vitenskapelige ligninger: Maxwells ligninger for elektromagnetisme, Schrödingerligningene, Einsteins E=mc2, Navier-Stokes ligning for fluidmekanikk. 

Vitenskapelige prinsipper

Noen av naturbeskrivelsene omtales som prinsipper: Bernoulli-prinsippet innen aerodynamikk, Le-Chateliers prinsipp om likevekt og homeostase eller duehullprinsippet.

Innen matematikk og logikk bygger man på grunnleggende aksiomer, selvinnlysene postulater som alle er enige om må være sanne,  og utvikler som en logisk konsekvens fra aksiomene teoremer (e.g. Fermats siste teorem, firefargerteoremet) og setninger. Teoremer kan være trivielle eller vanskelige. Et lemma er et hjelpeteorem.

En matematiske sammenheng som mangler det endelige matematiske bevis kalles formodning eller konjektur. For eksempel Tanyiama-Shimuras konjektur for modulære former, Poincarés konjektur om tredimensjonale objekter og manifolder, Riemannhypotesen innen tallteori, Collatz konjektur, Yang-Millsteori og generalisering av Maxwells teori om elektromagnetisme, samt NP-problemet.

Serendipitet

I flere tilfeller er vitenskapelige oppdagelser gjort ved en tilfeldighet (serendipitet, navn etter det persiske eventyret om de tre prinsene fra Serendip, som av den mektige kong Giaffer fikk opplæring i kunst og vitenskap, hvor logikk og klokskap brukt til å finne en forsvunnet kamel), hvor eksperimentet i utgangspunktet hadde en annen hensikt. Eksempler på dette er Alexander Flemings oppdagelse av antibiotikumet penicillin, isolert fra soppen Pencillium notatum, eller Wilhelm Conrad Röntgens oppdagelse av røntgenstrålingen.

Utforskende dataanalyse - syllogismer og statistisk inferens (slutningslære)

Uforskende dataanalyse som danner basis for den naturvitenskapelige metode. Testing av hypoteser består i å få maksimal innsikt i datasettet ved grafisk oppsummering: histogram, boksplot, punktskyplot, stolpediagram, og mosaikkplot etc. Finne de underliggende strukturer i datasettet. Plukke ut de viktigste variable, og lete etter konfundering, feilslutninger, pseudoreplikasjon, regresjon mot gjennomsnitt, ukjente forklaringsvariable, falske positiver og publiseringsskjevhet (bias), finne utliggere og anomalier. Teste underliggende forutsetninger for bruk av statistiske metoder. Frekventistene baserer seg på tradisjonelle nullhypoteser og hypotesetesting  p=0.05, hvor det å kunne angi effektstørrelser er mer viktig. Innen Bayesiansk statistikk benytter seg av forhåndskunnskap (prior) i å utvikle posterior sannsynlighet og inferens.  Det har vist seg at mange eksperimenter og forsøk som er publisert ikke lar seg reprodusere. Modeller gir en forenklet årsakssammenheng, en forenklet virkelighet. Initielle parameterverdier med måleenheter som gir samme måleenhet på begge sider av differensialligningene eller differensligningene  gir initialverdiproblemet. Ligningene blir løst numerisk i en datamaskin. Forklaringsmodeller bør ha færrest mulig rediktorvariable (Occams prinsipp, fjerne irrelevante detaljer). Imidlertid kan deterministiske modeller oppvise kaos.

Kunnskap om virus, og de en- og flercellete organismenes genom, anatomi, fysiologi, biokjemi og økologi har sammen med de molekylærbiologiske teknikker gitt oss en biologisk innsikt som savner sidestykke i menneskets historie. Det samme gjelder de fysiske og kjemiske lover som styrer universet og materien. Men mennesket er en dyreart som tømmer sine leveområder for ressurser.

Hypotetisk-deduktiv metode

Økologiske systemer er komplekse og det er ikke mulig å registrere alle variable. Hva skal måles og hvordan måle ? Det er metodiske regler som rettleder forskningen, alt basert på den vitenskapelige metode. Den vitenskapelige metode gjør det mulig å skille mellom hypoteser, basert på observasjoner med tilhørende prediksjoner.

Deduksjon  vil si å gå fra det generelle tilfelle til det spesielle. 

Induksjon (Francis Bacon 1561-1626) vil si å gå fra det spesielle til det generelle, det vil si man starter med en observasjon og utvikler en hypotese som forklarer observasjonen. Den hypotetisk deduktive metode ble videreutviklet av Newton basert på flere arbeidshypoteser. I den hypotetisk deduktive metode behøver man ikke bare utvikle hypoteser som er basert på data og observasjoner.  Innen økologisk forsknings tas det i bruk stadig nye metoder som radiomerking tilknyttet GPS, DNA-barkoding, eller merking med RFID. Man må vurdere kostnader i tid, penger og personalressurser, samt etikk innen hvert eksperiment eller observasjonsstudium. Observasjonsstudier er observasjoner i naturen. Eksperimentelle studier har kontroll over innflytelsesrike faktorer og er egnet til å finne årsak-effekt sammenhenger. Individene er eksperimentelle enheter. Noe vi gjør tilsvarer behandling eller faktor som kan ha forskjellige nivåer.  Vær oppmerksom på randomisering, pseudoreplikater (uekte replikater) basert avhengighet, samt romlige og temporale pseudoreplikater. Det kan være vanskeligheter med tidsskala år og dekader, dårlig med replikater og replikater som heller ikke er perfekte. Hvordan skaffe statistisk meningsfulle data ? Hvilke slutninger kan du trekke av ditt eksperiment eller observasjonsstudium? Hvordan finne den enkleste og beste modellen ? Hvor sannsynlige er data gitt en bestemt modell ? Statistisk inferens vil si å trekke konklusjoner basert på gitte premisser.

Tilbake til hovedside

Publisert 28. nov. 2017 09:29 - Sist endret 4. apr. 2020 12:59