UNDERSTANDING RESEARCH: Vad menar vi egentligen med forskning och hur hjälper den oss att förstå saker och ting? De människor som förväntar sig att bevis ska komma från någon forskning inom vetenskapen kommer att bli sorgligt besvikna.

Som astrofysiker lever och andas jag vetenskap. Mycket av det jag läser och hör är formulerat på vetenskapens språk, vilket för utomstående inte kan tyckas vara mycket mer än jargong och rappakalja. Men det finns ett ord som sällan talas eller skrivs ut inom vetenskapen och det ordet är ”bevis”. I själva verket har vetenskapen inte mycket att göra med att ”bevisa” någonting.

Dessa ord kan ha fått ett oroligt uttryck att krypa över ditt ansikte, särskilt som medierna ständigt talar om för oss att vetenskapen bevisar saker och ting, allvarliga saker med potentiella konsekvenser, som att gurkmeja tydligen kan ersätta 14 mediciner, och mer lättsinniga saker, som att vetenskapen har bevisat att mozzarella är den optimala osten för pizza.

Säkerligen har vetenskapen bevisat dessa, och många andra saker. Inte alls!

Matematikerns sätt att bevisa

Matematiker bevisar saker och ting, och detta betyder något ganska specifikt. Matematiker lägger upp en särskild uppsättning grundregler, så kallade axiom, och bestämmer vilka påståenden som är sanna inom ramen.

En av de mest kända av dessa är den antika geometrin av Euklid. Med endast en handfull regler som definierar ett perfekt, platt rum har otaliga barn under de senaste årtusendena svettats för att bevisa Pythagoras relation för rätvinkliga trianglar, eller att en rät linje kommer att korsa en cirkel högst på två ställen, eller en myriad av andra påståenden som är sanna inom ramen för Euklids regler.

Om Euklids värld är perfekt, definierad av sina rätlinjiga linjer och cirklar, så är det universum som vi lever i det inte. Geometriska figurer ritade med papper och penna är endast en approximation av Euklids värld där sanningsförsäkran är absolut.

Under de senaste århundradena har vi insett att geometrin är mer komplicerad än Euklids, med matematiska storheter som Gauss, Lobachevsky och Riemann som gett oss geometrin för krökta och förvridna ytor.

I denna icke-euklidiska geometri har vi en ny uppsättning axiom och grundregler, och en ny uppsättning påståenden om absoluta sanningar som vi kan bevisa.

Dessa regler är ytterst användbara för att navigera runt denna (nästan) runda planet. En av Einsteins (många) stora bedrifter var att visa att krökning och förvrängning av själva rymdtiden kunde förklara gravitationen.

Dock är den matematiska världen av icke-euklidisk geometri ren och perfekt, och därmed bara en approximation av vår röriga värld.

Vad är vetenskap?

Men det finns matematik i vetenskapen, ropar du. Jag har just föreläst om magnetfält, linjeintegraler och vektorkalkyl, och jag är säker på att mina studenter skulle hålla med om att det finns mycket matematik i vetenskapen.

Och tillvägagångssättet är detsamma som för annan matematik: definiera axiom, undersök konsekvenserna.

Einsteins berömda E=mc2, som bygger på postulaten om hur elektromagnetismens lagar uppfattas av olika observatörer, hans speciella relativitetsteori, är ett utmärkt exempel på detta.

Men sådana matematiska bevis är bara en del av vetenskapens historia.

Den viktiga biten, den bit som definierar vetenskapen, är huruvida sådana matematiska lagar är en korrekt beskrivning av det universum som vi ser omkring oss.

För att kunna göra detta måste vi samla in data, genom observationer och experiment av naturliga fenomen, och sedan jämföra dem med de matematiska förutsägelserna och lagarna. Det centrala ordet i denna strävan är ”bevis”.

Den vetenskapliga detektiven

Den matematiska sidan är ren och skär, medan observationerna och experimenten begränsas av teknik och osäkerheter. Att jämföra de två är insvept i de matematiska områdena statistik och inferens.

Många, men inte alla, förlitar sig på ett särskilt tillvägagångssätt för detta som kallas Bayesianskt resonemang för att införliva observations- och experimentella bevis i vad vi vet och för att uppdatera vår tro på en viss beskrivning av universum.

Här betyder tro hur säker man är på att en viss modell är en korrekt beskrivning av naturen, baserat på vad man vet. Tänk på det lite som oddsen för vadslagning på ett visst resultat.

Vår beskrivning av gravitationen verkar vara ganska bra, så det kan vara oddsfavorit att ett äpple kommer att falla från en gren till marken.

Men jag har mindre tilltro till att elektroner är små slingor av roterande och snurrande strängar, vilket föreslås i supersträngteorin, och det kan vara tusen mot ett långsökt att den kommer att ge korrekta beskrivningar av framtida fenomen.

Vetenskapen är alltså som ett pågående rättegångsdrama, med en kontinuerlig ström av bevis som presenteras för juryn. Men det finns ingen enskild misstänkt person och nya misstänkta personer kommer regelbundet in. Mot bakgrund av de växande bevisen uppdaterar juryn ständigt sin syn på vem som är ansvarig för uppgifterna.

Men någon dom om absolut skuld eller oskuld fälls aldrig, eftersom bevisen ständigt samlas in och fler misstänkta personer ställs inför rätten. Allt juryn kan göra är att besluta att en misstänkt är mer skyldig än en annan.

Vad har vetenskapen bevisat?

I matematisk bemärkelse har vetenskapen, trots alla år av forskning om hur universum fungerar, inte bevisat någonting.

Alla teoretiska modeller är en bra beskrivning av universum runt omkring oss, åtminstone inom ett visst skalområde som den är användbar.

Men när man utforskar nya områden avslöjar man brister som sänker vår tro på att en viss beskrivning fortsätter att korrekt representera våra experiment, medan vår tro på alternativ kan växa.

Kommer vi i slutändan att känna sanningen och hålla de lagar som verkligen styr kosmos funktionssätt i våra händer?

Men även om vår grad av tro på vissa matematiska modeller kan bli starkare och starkare, hur kan vi utan en oändlig mängd tester någonsin vara säkra på att de är verkligheten?

Jag tror att det är bäst att lämna det sista ordet till en av de största fysikerna, Richard Feynman, om vad det handlar om att vara vetenskapsman:

Jag har ungefärliga svar och möjliga uppfattningar i olika grader av säkerhet om olika saker, men jag är inte absolut säker på någonting.

Den här artikeln är en del av en serie om att förstå forskning.

Fortsatt läsning:
Varför forskning slår anekdoter i vårt sökande efter kunskap
Avhjälpa förvirringen mellan korrelation och kausalitet
Positiva i negativa resultat: när ”ingenting” betyder något
Riskerna med att blåsa upp sin egen trumpet för tidigt om forskning
Hur man hittar det kända och det okända i all forskning
Hur myter och tabloider livnär sig på anomalier inom vetenskapen
De tio misstag som vi alla gör när vi tolkar forskning