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Le teorie scientifiche spiegano bene i processi del mondo naturale (e artificiale): tali teorie si basano su fenomeni osservabili, calcolabili, verificabili e replicabili. Le teorie empiriche sono quindi predittive, universali e posso essere provate o confutate. Le leggi scientifiche, invece, non offrono una spiegazione del funzionamento di un dato fenomeno ma si limitano all'osservazione e descrizione di avvenimenti. Le teorie obsolete, come quella del flogisto sulla combustione, vengono abbandonate quando nuove ricerche o strumenti rivelano dati empirici fino ad allora sconosciuti.

Le teorie scientifiche si sono evolute in parallelo con il metodo scientifico, che prende spunto dall'approccio induttivo/deduttivo di Aristotele (spiegato nell'opera Organon). Aristotele non fu però il solo a dedicarsi alla formulazione di teorie; Epicuro, per esempio, stese una serie di regole secondo le quali "inferire" il funzionamento degli eventi naturali. Durante i secoli bui in Europa la ricerca scientifica subì una battuta d'arresto a causa di guerre, siccità ed epidemie, ma nel 1021 lo scienziato arabo ibn al-Haytham, noto in occidente con il nome di Alhazen, espose il proprio metodo scientifico basato su osservazione, sperimentazione e pensiero logico-razionale.

Quando l'Europa uscì dalla stagnazione, il Rinascimento diede nuova linfa allo studio delle teorie scientifiche. Francisco Sanches sostenne, nei suoi scritti tra il 1571 e il 1573, che l'unico metodo affidabile fosse basato su un approccio scettico: questo portò allo sviluppo, da parte di Francis Bacon, del metodo induttivo come base della stesura di una teoria scientifica. Il pensiero di Bacon fu ulteriormente sviluppato da Descartes, Galilei e Newton. Nel XX secolo Charles Peirce, Karl Popper e Thomas Kuhn ampliarono e consolidarono i processi di pensiero alla base del metodo scientifico, creando uno standard di ricerca rispettato ancora oggi.

Esistono ovviamente anche metodi meno empirici per giungere alla comprensione dell'universo, ma le teorie scientifiche sono le uniche a mantenere un saldo contatto con la realtà. Le scoperte e le tecnologie sviluppate secondo questo metodo hanno migliorato la qualità della vita di innumerevoli civiltà.