Filozofia fizyki. Krótkie Wprowadzenie 33 ebook

Podziękowania

Ta książka jest w dużej mierze owocem wykładów z filozofii fizyki, które prowadzę od dekady dla studentów Uniwersytetu Oksfordzkiego. Szczególnie wdzięczny jestem Harveyowi Brownowi, którego koncepcje czasoprzestrzeni wywarły znaczny wpływ na treść rozdziału 2, ale uwagi moich wspaniałych studentów, a także koleżanek i kolegów po fachu, uformowały każdą z części tej książki. Na moją wdzięczność zasłużyli też Latha Menon z Oxford University Press, anonimowy/a recenzent/ka oraz Hannah Wallace, którzy poczynili na temat manuskryptu szereg wnikliwych i mądrych uwag.

Wykaz ilustracji

1. Ruch w dwóch układach inercjalnych

2. Paradoks bliźniąt

3. Względność równoczesności

4. Paradoks bliźniąt: opis geometryczny

5. Paradoks bliźniąt: opis w układzie inercjalnym

6. Interferencyjne eksperymenty ze światłem

Wstęp

Jeszcze kilkaset lat temu wyrażenie „filozofia fizyki” mogło brzmieć niczym tautologia. Fizyka była filozofią przyrody; zadaniem filozofa przyrody było zrozumienie świata przyrody. Pisma Arystotelesa dotyczą zarówno matematyki oraz nauki, jak i etyki oraz estetyki; Newton określił swoją pracę mianem filozofii i przeciwstawił ją filozofiom swoich rywali. Dopiero w stosunkowo niedawnych czasach fizyka zaczęła przeobrażać się w samodzielną dyscyplinę i oddzieliła się od szeroko pojętej filozofii.

Nie była w tym ani pierwsza, ani ostatnia. Często powiada się, że filozofia nie czyni postępu, natomiast w dużej mierze rozwija się przez tworzenie autonomicznych dyscyplin. Matematyka w starożytności; fizyka w czasach renesansu; biologia po Darwinie; logika na początku XX wieku; informatyka w połowie XX wieku; kognitywistyka niedawno – w każdym z tych przypadków dokonano tak dużego postępu, rozwiązano tak wiele kwestii, wyjaśniono tak wiele nieporozumień, że stworzono samowystarczalny przedmiot i skierowano go na drogę dalszego postępu. Filozof Daniel Dennett definiuje filozofię jako to, co robimy, gdy nie wiemy, jakie pytania zadać. Kiedy rozumiemy już tak wiele, by ustalić, czego dotyczą pytania, i zacząć na nie odpowiadać, z filozofii wyrasta nowa nauka.

Tam, gdzie miało to miejsce ostatnio – powiedzmy w kognitywistyce lub w logice – nauka i filozofia pozostają ze sobą splecione jako dyscypliny. Ale fizyka miała trzy stulecia, aby zyskać niezależność, a teraz jej instytucjonalny rozdział od filozofii jest prawie całkowity: niewielu profesjonalnie wyszkolonych fizyków zna się na filozofii; niewielu filozofów zna coś więcej niż elementarne podstawy fizyki. Czy jest zatem miejsce na filozofię fizyki?

Najjaśniejszy i najprostszy powód, aby było, jest taki, że chociaż pojęciowe podstawy fizyki są o wiele jaśniejsze niż przed czasami Newtona, to pozostaje wiele spraw, których nie rozumiemy. Fizyka to nie tylko bezmyślne obliczenia: dobrzy fizycy zdają sobie sprawę z pytań i paradoksów, które powstają w trakcie ich pracy. Rzeczywiście, bardzo niewiele dobrych obliczeń jest bezmyślnych: nie ma wyraźnego rozdziału między konkretnymi, predykcyjnymi aspektami fizyki a jej podstawami pojęciowymi. Oto pierwsze zadanie dla filozofa fizyki: znaczna część filozofii fizyki wiąże się bezpośrednio z tym aspektem samej fizyki, a filozoficzna przejrzystość może przyczynić się do postępów tej nauki.

Drugi powód jest taki, że metody nauki i postawy, jakie powinni wobec nich przyjąć naukowcy, filozofowie i ludzie w ogóle, odgrywają znaczącą rolę, a nie można ich zrozumieć, nie znając szczegółów. W najlepszym razie zyskujemy ograniczony wgląd w metodę naukową lub w postawę, jaką powinniśmy przyjąć wobec teorii naukowych, o ile rozważamy je w sposób abstrakcyjny: jednym z ważnych zadań dla filozofa fizyki jest przyjrzenie się wynikom i procedurom tej dyscypliny, aby stwierdzić, czego nas to uczy na temat nauki w ogóle. I znów, nie jest to po prostu zadanie dla beznamiętnych zewnętrznych obserwatorów fizyki: zrozumienie metody naukowej jest ważne, by dobrze uprawiać naukę, a w coraz większym stopniu dotyczy to fizyki współczesnej.

Trzecie zadanie dla filozofa fizyki znów wiąże się wprost z tą dyscypliną, ale w innym sensie: jak najlepiej zrozumieć, jaki jest świat, uwzględniając teorie fizyczne, których używamy do jego opisania. Tradycyjnie zrozumienia głębokiej natury świata podejmowała się metafizyka, ale w dzisiejszych czasach to zrozumienie opiera się w sposób krytyczny na naszych najlepszych teoriach fizycznych – jednak te teorie swego sensu wprost nie ukazują. W tym sensie filozofia fizyki stanowi pomost między metafizykiem a fizykiem – lub, innymi słowy, filozofia fizyki mówi nam, jak uprawiać metafizykę świadomą dokonań nauki.

Łączy to wszystko fakt, że filozofia fizyki ma charakter interdyscyplinarny, sytuuje się między właściwą fizyką, filozofią głównego nurtu i ogólną filozofią nauki, przekazując idee i wglądy między nimi. Część filozofów fizyki pracuje na wydziałach filozofii, określa się ich mianem „filozof fizyki” lub „filozof nauki”, ale wielu innych to sami fizycy (Einstein jest bez wątpienia czołowym filozofem fizyki XX wieku). Jest to książka o filozofii fizyki jako o dyscyplinie, bez związku z instytucjonalną strukturą środowiska akademickiego XXI wieku.

A wreszcie, co trzeba podkreślić, diabeł tkwi w szczegółach. Filozofia fizyki rzadko dotyczy fizyki jako całości, koncentruje się zaś na jej poszczególnych obszarach. Możemy rozważać konceptualne – to znaczy filozoficzne – pytania, które pojawiają się w danej dziedzinie fizyki, a problemy w każdej z poddziedzin są odrębne, nawet jeśli nie bywają tak wyraźnie odseparowane, jak by się to mogło wydawać na pierwszy rzut oka. Jest wiele takich, które zyskały dużą wagę w ostatnich pracach, a dotyczą granic współczesnej fizyki. Na przykład:

• Filozofiakwantowej teorii pola dotyczy zagadnień pojęciowych wynikających z naszych najbardziej fundamentalnych współczesnych teorii, które stanowią podstawę niezwykłych wyników uzyskanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w Genewie. Na przykład: czy stałe przyrody są w jakiś sposób precyzyjnie dostrojone, tak aby stworzyć duży, złożony Wszechświat, który widzimy wokół nas? A może jest to pytanie bezsensowne i nie powinno się go zadawać? Jaka metoda naukowa czyni sensownymi nasze próby rozszerzenia teorii poza zakres tych przetestowanych w LHC na obszary, gdzie teorie mnożą się ponad miarę, a dowody wydają się skąpe?

• Filozofiakosmologii docieka, jak uprawiać naukę o całym Wszechświecie. Skoro istnieje tylko jeden obserwowalny Wszechświat, to czy możemy zrozumieć, nie mówiąc już o ich sprawdzeniu, te teorie, które mówią, że jeden Wszechświat jest bardziej prawdopodobny niż inny? Czy hipoteza, że nasz Wszechświat jest tylko jednym z elementów ogromnego wieloświata, jest naukowa? I jak wybrać któryś z modeli kosmologicznych, uwzględniając złożone i pośrednie dane, świadczące o ich poprawności?

• Filozofiagrawitacji kwantowej dotyczy „ostatecznej granicy” we współczesnej fizyce: jak pogodzić ogólną teorię względności, naszą najlepszą teorię grawitacji, z teorią kwantową, układem odniesienia, na który naniesione są wszystkie nasze teorie fizyczne? Czy teoria strun – z którą wiąże się tu najwięcej nadziei – jest dobrą nauką, złą nauką czy też wcale nauką nie jest? Jaki jest status zdumiewających twierdzeń, że czarne dziury – z których, jak się naiwnie spodziewamy, nic nie ucieknie – zachowują się pod ważnymi względami niczym zwykłe gorące ciała, i jak mamy ocenić te twierdzenia, zważywszy na odległą perspektywę testów eksperymentalnych? A jak mają zostać rozwiązane lub zlikwidowane pojęciowe paradoksy dotyczące kwantowych czarnych dziur?

Ale najważniejszych przykładów, przynajmniej jeśli chodzi o większość fundamentalnych i filozoficznych prac ostatnich 50 lat, dostarczają nieco starsze i bardziej ogólne teorie. Większość prac w filozofii fizyki dotyczy trzech obszarów: filozofii czasoprzestrzeni (która dostarcza pojęć, za pomocą których można zrozumieć przestrzeń, czas i ruch, zapewne centralne pojęcia w fizyce), filozofii mechaniki statystycznej (która leży u podstaw relacji między teoriami fizycznymi w różnych skalach i usytuowana jest między naszą najbardziej podstawową fizyką a prawie każdym jej sprawdzianem lub zastosowaniem) oraz najsłynniejszej, którą jest zapewne filozofia mechaniki kwantowej (która próbuje zrozumieć i być może zmienić zdumiewająco dziwaczny język, w którym w ostatnim stuleciu napisano większość prac z zakresu fizyki, od tych na temat akceleratorów cząstek, przez te o tranzystorach, po opowieści o pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu).

Ta książka dotyczy kolejno tych właśnie obszarów. Rozdział 1 otwiera kilka dość ogólnych pytań dotyczących metody naukowej i ogólniej natury naukowych teorii. W rozdziale 2 pytamy o to, „czym jest ruch” w kontekście historycznym: przyglądamy się tworzeniu mechaniki przez Newtona i innych w XVII wieku. (W filozofii fizyki często musimy uwzględnić historię idei i to, jak wielcy fizycy zostali doprowadzeni do dziwnych koncepcji, które następnie rozwinęli.) Rozdział 3 przenosi te rozważania na teorię względności; omawia się tam rzekome „paradoksy”, które rodzi ta teoria, prezentuje się dostarczane przez nią głębsze sposoby rozumienia przestrzeni, czasu i ruchu. Rozdział 4 dotyczy tego, w jaki sposób mechanika statystyczna pomaga nam zrozumieć relacje między teoriami w dużej i w małej skali oraz jak to rozumienie wydaje się angażować nowe pojęcia – nieodwracalność, prawdopodobieństwo – które nie występują w naszych bardziej fundamentalnych teoriach, a nawet wydają się z nimi sprzeczne. Rozdziały 5 i 6 odnoszą się do mechaniki kwantowej – przedstawiają paradoksy, które ona rodzi, by następnie rozważyć, w jaki sposób można je rozwiązać, a na koniec pytają, dlaczego ma to znaczenie dla fizyki w ogóle.

Filozofia fizyki dotyczy, po trzecie, tego, że matematyka odgrywa kluczową rolę. Teorie we współczesnej fizyce formułowane są w języku abstrakcyjnej matematyki i nie sposób w pełni zrozumieć – nie mówiąc już o próbie ich rozwiązania – filozoficznych problemów fizyki bez pełnego zrozumienia tych teorii, matematyki i całej reszty. (W związku z tym trudno się dziwić temu, że filozofowie fizyki zwykle – i coraz częściej – kształcą się podyplomowo w dziedzinie fizyki, nawet jeśli pracują na wydziałach filozofii.) W książce takiej jak ta nie da się w pełni omówić jakiejkolwiek współczesnej teorii czasoprzestrzeni, mechaniki statystycznej czy teorii kwantowej – nie mówiąc już o wszystkich trzech – i nie mogę w związku z tym udawać, że zdołacie w pełni zrozumieć kwestie filozoficzne, czytając ją samą. Mam jednak nadzieję, że zawiera wystarczająco dużo szczegółów i głębi, aby pomóc czytelnikom przeszkolonym w filozofii zrozumieć, w jaki sposób zagadnienia z fizyki wpływają na istotne dla nich pytania, czytelnikom znającym fizykę połączyć omawiane przeze mnie zagadnienia pojęciowe z technicznym treningiem, przez jaki przeszli, a wszystkim czytelnikom uzyskać pewien wgląd w główne problemy tej dziedziny i w to, dlaczego są one ważne.

Nawet w trzech głównych omawianych przeze mnie obszarach, i nawet pomijając wiele tematów zbyt technicznych, by można je było zawrzeć w takiej książce, jest mnóstwo interesujących pytań, na których podjęcie zabraknie tu miejsca. Nieuchronnie moje własne oceny – zarówno dotyczące najważniejszych pytań, jak i najbardziej obiecujących prób udzielenia na nie odpowiedzi – wywarły decydujący wpływ na wybór dyskutowanych problemów i sposób ich prezentacji, a chociaż często zaznaczam, że pytanie jest „kontrowersyjne” lub „sporne” i przedstawiam liczne na nie odpowiedzi, to mam pewność, że czytelnicy zaznajomieni z tymi tematami stwierdzą, że niektóre z ich ulubionych zarzutów zostały pominięte lub że ich ulubione stanowiska zlekceważono bądź pominięto. Mogę ich tylko przeprosić, a na użytek czytelników jeszcze niezaznajomionych z filozofią fizyki – moich docelowych odbiorców – sporządziłem wykaz rozmaitych lektur, w których znajdą więcej szczegółów i alternatywnych ujęć.

Rozdział 1

Metody nauki i jej owoce

Fizyka jest częścią nauki, ale w pewnym ważnym sensie filozofia fizyki nie stanowi jedynie części filozofii nauki. Tradycyjnie filozof nauki sytuował się nieco obok nauki, studiując praktykę badawczą jako zainteresowany outsider: interesowała go metoda naukowa jako taka, zadawał dość ogólne pytania o wiarygodność i wartość tego, co nauka wytwarzała. Filozofowie fizyki zazwyczaj zadają pytania znacznie bardziej szczegółowe: nie o naukę w ogóle, ani nawet o fizykę w ogóle, ale o kwestie pojęciowe podnoszone przez te czy inne teorie fizyczne: co ogólna teoria względności mówi nam o przestrzeni i czasie; jak rozumieć drugą zasadę termodynamiki; czy teoria kwantowa jest u samych podstaw jakoś wadliwa? I chociaż nie wahali się krytykować metod fizyków w poszczególnych przypadkach, to nie interesowały ich bardziej ogólne zagadnienia metodologii fizyki.

Z drugiej strony pytania zadawane przez ogólną filozofię nauki – i niepewne odpowiedzi, których ona udzieliła – stanowią zasadnicze tło dla filozofii fizyki. Tak więc w tym rozdziale spróbuję dać wprowadzenie do metody naukowej i kilku dylematów, jakie rodzi pytanie o to, jak należy myśleć o teoriach naukowych w ogóle.

Metoda naukowa – od indukcji do falsyfikacji i dalej

Upuszczamy jabłko – i co takiego się dzieje? Spada. Powtórzmy to z innym jabłkiem lub tym samym jabłkiem na innej wysokości: też spada. Podobnie w przypadku innych przedmiotów: gruszek, cegieł, kotów, dzieci. Doświadczenie dostarcza nam wielu, wielu przykładów tego, że „jeżeli taki a taki przedmiot pozostaje bez podparcia, spada”, a bardzo niewielu tego, że „jeżeli taki a taki przedmiot pozostaje bez podparcia, nie spada”. A zatem być może mamy prawo uznać twierdzenie „wszystkie niepodparte przedmioty spadają” za wstępny wniosek z naszych obserwacji.

Nazwijmy to indukcją enumeracyjną. Oto zapewne najprostszy i najstarszy model wiedzy empirycznej: zgromadź mnóstwo obserwacji o postaci „to jest X, który jest również Y”, nie zaobserwuj „to jest X, który nie jest Y”, a więc wywnioskuj „wszystkie X to Y”.

Jest to, być może, dobry model tego, jak małe dzieci uczą się grawitacji. (Bardzo w to, szczerze mówiąc, wątpię, ale nie jestem kognitywistą.) Nie nadaje się to nawet na karykaturę metody fizyki czy jakiejkolwiek innej dojrzałej nauki.

Dlaczego? Po części z tego powodu, że nie ma czegoś takiego jak „samo tylko obserwowanie”. Świat jest bogaty i skomplikowany, możemy przyglądać mu się na nieskończenie wiele sposobów: musimy jakoś postanowić, co obserwować. Dzieje się tak nawet w przypadku obserwacji, których dokonujemy za pomocą własnych oczu i uszu, a problem ten nabiera ogromnej wagi we współczesnej fizyce, w której wydaje się miliony czy miliardy dolarów na budowę przyrządów służących wykonywaniu bardzo szczególnych obserwacji – a tych w żadnym wypadku nie wybiera się losowo. A po części dlatego, że teorie naukowe mają budowę o wiele bardziej subtelną i złożoną niż „wszystkie X to Y”. Faktycznie teoria grawitacji Newtona nie ma, nawet w przybliżeniu, postaci „wszystkie niepodparte przedmioty spadają”; mówi ona raczej, że „siła grawitacji, z jaką jedno ciało działa na drugie, jest proporcjonalna do iloczynu ich mas podzielonego przez kwadrat odległości między nimi, a działa wzdłuż linii, która je łączy”. To nie jest coś, co da się w sposób bezmyślny odczytać ze świata.

Są to faktycznie dwie strony tego samego medalu: indukcja enumeracyjna się myli, gdyż wiąże proces wymyślania teorii (to, co filozofowie nazywają „kontekstem odkrycia”) z procesem gromadzenia i oceniania danych potwierdzających teorię („kontekst uzasadnienia”).

Bardzo wpływowe alternatywne ujęcie przedstawił w XX wieku filozof Karl Popper (jeden z nielicznych filozofów nauki, o którym słyszała większość fizyków). W najprostszej i najbardziej znanej wersji jego podejścia metoda naukowa jest procesem dwuetapowym:

1. Wymyśl teorię (nieważne jak);

2. Spróbuj tę teorię sfalsyfikować, sprawdzając pewne przewidywania, jakich ona dostarcza.

Jeśli teoria sprawdzianu pomyślnie nie przejdzie, to zostaje sfalsyfikowana. Odrzuć ją zatem i wróć do kroku 1. Jeśli przejdzie, sprawdzaj ją dalej na różne sposoby.

Nazywa się to podejście falsyfikacjonizmem. W przeciwieństwie do indukcji enumeracyjnej jest to karykatura metody naukowej i – jak wszystkie karykatury – oddaje niektóre z głównych cech tego, co przedstawia. Ale w szczegółach nie należy traktować jej zbyt dosłownie, bo jeśli tak, to zapewne wprowadzi nas w błąd.

Łatwo to stwierdzić na przykładzie wziętym z XIX-wiecznej fizyki. Zgodnie z teorią grawitacji Newtona planety krążą wokół Słońca po elipsach; w peryhelium planeta znajduje się najbliżej niego. Z teorii tej wynika również, że gdyby nie było innych planet, peryhelium jej orbity znajdowałoby się stale w tym samym punkcie – ale ponieważ inne planety istnieją, to peryhelium po każdym obiegu wokół Słońca przemieszcza się nieco dalej. Zaś newtonowska teoria grawitacji mówi nam, jak to przesunięcie obliczyć.

Gdy fizycy przeprowadzili te obliczenia, to stwierdzili, że w przypadku dwóch z siedmiu znanych wówczas planet – Merkurego i Urana – zachodzi rozbieżność między wartością przewidywaną przez teorię a wartością zmierzoną. Zmierzone wartości są niewielkie, podobnie jak rozbieżności: w przypadku Merkurego, którego najmniejsza odległość od Słońca to 44 miliony kilometrów, precesja przewidywana wynosi około 3000 kilometrów na jeden obieg, a ta zmierzona jest o około 20 kilometrów mniejsza. Ale zarówno obliczenia, jak i pomiary były wystarczająco dokładne, nawet w XIX wieku, aby z przekonaniem stwierdzić, że rozbieżność rzeczywiście ma miejsce.

Według falsyfikacjonizmu powinno to unicestwić newtonowską teorię grawitacji. Dostarczyła przewidywania; okazało się ono fałszywe; czas przejść do następnej teorii! Ale tak się nie stało i nie tak stać się powinno. Po pierwsze, newtonowska teoria grawitacji była bardzo skuteczna przez prawie 200 lat, dostarczyła ogromnie wielu udanych przewidywań, a także pouczających wyjaśnień: po prostu odrzucenie jej i rozpoczęcie od nowa, przy braku jakichkolwiek konkretnych pomysłów, jak sobie lepiej poradzić, sparaliżowałoby astronomię. Co ważniejsze, nie było do końca prawdą, że wspomniana rozbieżność sfalsyfikowała newtonowską teorię grawitacji. Teoria ta – podobnie jak każda inna – dostarcza przewidywań jedynie po uzupełnieniu jej o to, co filozofowie nazywają hipotezami pomocniczymi: ile jest planet, gdzie się znajdują, jakie mają masy, jakie inne księżyce, asteroidy i chmury pyłu znajdują się w pobliżu, jaki wpływ mogą wywrzeć czynniki niegrawitacyjne, a nawet jak działają nasze teleskopy i zegarki. Anomalna precesja może być związana z wadami teorii grawitacji, ale równie wywołać ją może obecność jakiejś odległej planety, o której nie wiedzieliśmy. Rzeczywiście, możemy odwrócić to rozumowanie: zakładając, że grawitacja newtonowska jest poprawna, pytamy: gdzie musiałaby być inna planeta, aby to zlikwidowało anomalię? Kiedy matematycy zapytali o Urana i na to pytanie odpowiedzieli, a następnie astronomowie spojrzeli w to miejsce na nocnym niebie, zobaczyli planetę Neptun dokładnie tam, gdzie być powinna.

A co z Merkurym? Użyto podobnego wybiegu: gdyby jakaś nieznana planeta była jeszcze bliżej Słońca, wyjaśniłoby to anomalię. Tę nową planetę nazwano „Wulkan”; nikt nie mógł jej zobaczyć, co sprawy nie rozstrzygało, gdyż bliskie sąsiedztwo Słońca czyniłoby ją niemal niewidoczną w jego blasku. Ale dziś wiemy, że właściwe wyjaśnienie było zupełnie inne: ogólna teoria względnościEinsteina, alternatywna teoria grawitacji, dokładnie przewidziała obserwowaną rozbieżność bez wprowadzania dodatkowej planety.

Mamy zatem dwa przypadki domniemanej falsyfikacji; spoglądając wstecz, stwierdzamy, że w pierwszym newtonowska teoria grawitacji triumfowała, a falsyfikacji uległy nasze pomocnicze założenia dotyczące Układu Słonecznego, co doprowadziło do odkrycia ósmej planety; w drugim przypadku nastąpiła autentyczna falsyfikacja, zaś sprawę wyjaśniło całkowite zastąpienie grawitacji newtonowskiej przez nową, ulepszoną teorię. Ale takich rozróżnień można dokonać dopiero po fakcie: pomysł wprowadzenia Wulkana nie był z natury nierozumny i żadne udoskonalenie metody naukowej nie mogło, a także nie powinno podpowiedzieć naukowcom, aby tego nie robili.

Nie ma zgody co do tego, jaka pozytywna opowieść o metodzie naukowej ulepszyłaby falsyfikacjonizm; nie jest nawet jasne, że można to w ogóle zrobić. (Filozof umysłu Jerry Fodor z przymrużeniem oka sugeruje: „Staraj się nie mówić niczego, co by było fałszywe; postaraj się zachować rozsądek”.) Ale w wielu ujęciach można znaleźć pewne wspólne wątki, które wystarczą do naszych celów (tu uwzględniam filozofów Imre Lakatosa i Thomasa Kuhna, zacierając wiele z dzielących ich różnic):

1. Należy myśleć nie w kategoriach statycznych teorii, raz na zawsze wymyślonych, a dopiero potem sprawdzanych, ale w kategoriach wciąż rozwijanych programów badawczych (Lakatos) lub „paradygmatów” (Kuhn), w których używa się wspólnego teoretycznego rdzenia, aby wyjaśniać zjawiska za pomocą zbioru hipotez pomocniczych, które podlegają modyfikacji w obliczu sukcesywnie gromadzonych danych empirycznych.

2. Programy badawcze rozwijają się właśnie dzięki odkrywaniu anomalii, które następnie się wyjaśnia. O poznawczych zaletach takich wyjaśnień decyduje to, że prowadzą one do nowych przewidywań, które następnie zostają potwierdzane (jak w przypadku Neptuna).

3. Z biegiem czasu niewyjaśnionych anomalii może przybywać i/lub hipotezy pomocnicze potrzebne do ich wyjaśnienia stają się coraz bardziej dziwaczne, ad hoc, nie są też w stanie dostarczyć nowych przewidywań. Program badawczy ulega degeneracji (Lakatos); paradygmat popada w stan kryzysu (Kuhn).

4. A nawet w takich przypadkach rzadko, jeśli w ogóle, rezygnujemy z programu badawczego, chyba że dostępny jest jakiś bardziej skuteczny jego rywal. Programy badawcze sprawdza się na tle nie tylko świata, ale także innych programów badawczych. (Dopiero po sukcesie ogólnej teorii względności – nowego programu badawczego – newtonowska teoria grawitacji została uznana za sfalsyfikowaną.)

Problem demarkacji: kiedy coś jest naukowe?

Poppera tylko częściowo interesowały falsyfikacjonizm i metoda naukowa dla nich samych. Szukał również kryterium, którego spełnienie czyni z gromadzenia wiedzy naukę, i znalazł je w wymogu falsyfikowalności (a więc podobno ani psychologia freudowska, ani ekonomia marksistowska – dwa z jego straszaków – nie są naukowe). Wydaje się, że współcześni fizycy często postępują podobnie: odrzucają jakieś pytanie, a czasem całą poddyscyplinę (taką jak teoria strun) bądź dziedzinę dociekań (jak filozofia!), jako „niefalsyfikowalne”, a tym samym nienaukowe.

Jak już widzieliśmy, przy dosłownym rozumieniu jest to nadmierne uproszczenie: ściśle mówiąc, żadna teoria nie jest falsyfikowalna w izolacji. Ale coś w tym jest trafnego: liczy się najwyraźniej nie to, czy teoria jest falsyfikowalna per se, ale czy przemawiają za nią lub przeciw niej jakieś dane. Tak więc pytanie (takie jak: która z tych teorii jest poprawna?) jest pytaniem naukowym, jeśli podlega naukowym metodom, które ostatecznie opierają się na danych empirycznych.

Możemy pojąć, jak to się dokonuje na przykładzie debat prowadzonych w ciągu ostatnich trzydziestu kilku lat na temat istnienia ciemnej materii. W galaktykach spiralnych, takich jak nasza, widzialna materia występuje głównie w formie gwiazd oraz międzygwiezdnego gazu i pyłu, a używając prawa grawitacji Newtona, możemy stwierdzić, jak szybko, zważywszy na przestrzenny rozkład tej materii, powinny krążyć gwiazdy w galaktyce („krzywa rotacji” galaktyki). Od wczesnych lat 80. wiedziano, że istnieje rozbieżność między wartościami przewidywanymi i zmierzonymi. (Zastąpienie grawitacji newtonowskiej ogólną teorią względności Einsteina niczego tu nie zmienia: anomalia nadal ma miejsce.) Podobnych anomalii dostarczyły wielkoskalowe obserwacje całych gromad galaktyk.

Głównym z zaproponowanych wyjaśnień tej anomalii była tak zwana „ciemna materia”: materia niewidoczna dla naszych teleskopów, a wykrywalna jedynie na podstawie jej oddziaływań grawitacyjnych. W samej idei ciemnej materii nie ma nic dziwnego: gwiazdy są widoczne, ponieważ emitują światło, a materię, która sama nie świeci, trudno zapewne zauważyć. (Pozostałe planety naszego Układu Słonecznego byłyby „ciemną materią” dla obserwatora znajdującego się w jakimś odległym układzie gwiezdnym – Ziemia też taka by była, gdybyśmy nie zaczęli wysyłać sygnałów radiowych i telewizyjnych.) Ale aby wyjaśnić krzywe rotacji, ciemnej materii musi być o wiele więcej niż gwiazd, gazu i pyłu, a to wydaje się mało wiarygodne. Do dziś nie wiemy prawie nic o tym, czym może być ciemna materia, a bezpośrednie jej poszukiwania nie przyniosły rezultatu.

Z tego powodu pozostająca w mniejszości grupa fizyków wystąpiła z ideą, że koniec końców nie ma ciemnej materii, natomiast jest coś nie tak z prawem grawitacji. Ich konkurencyjna teoria MOND (skrót od „modyfikacja newtonowskiej dynamiki”) dostarczyła początkowo bardzo udanych wyjaśnień krzywych rotacji, a przynajmniej dość udanych wyjaśnień szeregu rzekomych dowodów na istnienie ciemnej materii. W świetle powyższych rozważań ciemna materia jest hipotezą pomocniczą w ramach istniejącego programu badań grawitacyjnych; MOND to konkurencyjny program badawczy.

Ta dyskusja trwa od co najmniej 30 lat i nie tylko nie została rozstrzygnięta, ale nie stanie się to zapewne w przewidywalnej przyszłości, ponieważ żadne obserwacje czy eksperymenty nie są w stanie przekonująco sfalsyfikować żadnego z tych podejść. Ale to nie znaczy, że wybór którejś z tych teorii pozostaje kwestią gustu. Wyjaśnienia oferowane przez MOND są w niektórych przypadkach prostsze niż te oparte na hipotezie ciemnej materii i obejmują zjawiska z mniejszą liczbą ruchomych części; w innych przypadkach są bardziej złożone, a nawet dziwaczne. Dyskusja nie kręciła się w kółko: nowe obserwacje wymagały kolejnych modyfikacji zarówno modeli ciemnej materii, jak i proponowanych przez MOND nowych praw. Ja oceniam to tak, że 20 lat temu MOND była wysoce prawdopodobną konkurentką, ale później poziom dziwaczności i doraźności modyfikacji niezbędnych, aby dopasować ją do danych, sprawił, że jest mało prawdopodobne, aby były one poprawne. I tę ocenę podziela większość społeczności astrofizyków, co widać po gwałtownym obecnie spadku zainteresowania MOND w porównaniu do stanu sprzed 20 lat. Nie jest to jednak rozstrzygające: rozumni ludzie mogą się z tym nie zgodzić, a poważni naukowcy nadal pracują nad MOND. Być może kiedyś nastąpi rozstrzygnięcie; wtedy i tylko wtedy słuszne będzie nazwanie poparcia dla MOND nienaukowym.

Powinienem podkreślić, że ciemna materia/MOND to przykład dość skrajny: przeprowadzenie eksperymentów i obserwacji natrafia w tym zakątku astrofizyki i kosmologii na o wiele większe trudności niż w większości dziedzin fizyki, gdzie dane eksperymentalne pozyskuje się o wiele szybciej, a one dostarczają silniejszych rozstrzygnięć. Ale nawet w tym ekstremalnym przypadku widać, że rozwiązanie sporu następuje w wyniku kolejnych modyfikacji teorii i gromadzenia nowego rodzaju obserwacji: to znaczy dokonuje się za pomocą środków rozpoznawalnie naukowych.

Niedookreślenie, instrumentalizm i realizm

Jeśli wybór między dwiema teoriami jest naukowy, to musi zostać dokonany pod wpływem danych doświadczalnych; ale co robić, gdy dwie różne teorie dostarczają dokładnie tych samych przewidywań? Filozofowie nazywają to „niedookreśleniem teorii przez dane”: „problem niedookreślenia” to problem wyboru między dwiema takimi teoriami.

W pewnym sensie pytanie o ciemną materię/MOND to przypadek niedookreślenia: żaden pojedynczy eksperyment lub obserwacja nie mówią nam, która teoria jest poprawna, ponieważ można wprowadzić do teorii różne elementy i hipotezy pomocnicze, aby wyjaśnić te same dane. Domniemanym rozwiązaniem tego problemu jest po prostu kontynuowanie badań: z biegiem czasu waga danych – mamy nadzieję – doprowadzi do coraz bardziej klarownych wniosków, nawet jeśli pozostaną szczątkowe filozoficzne pytania o to, dlaczego tym „jasnym wnioskom” należy ufać, skoro żadnej z teorii całkowicie nie wykluczono (filozofowie nazywają takie przypadki słabym niedookreśleniem).

Bardziej niepokojący byłby przypadek, gdyby dwie teorie dostarczały tych samych przewidywań nie tylko w odniesieniu do już zgromadzonych danych, ale w odniesieniu do wszystkich możliwych obserwacji i pomiarów. W tym przypadku – zwanym przez filozofów silnym niedookreśleniem – metody nauki zdają się tracić punkt oparcia.

Niegdyś wielu filozofów nauki sądziło, że jest to logicznie niemożliwe. Zgodnie z pozytywizmem (albo operacjonizmem, albo instrumentalizmem – ponownie pomijam subtelne różnice między tymi stanowiskami), aby zrozumieć treść teorii naukowej, musimy odróżnić jej twierdzenia obserwacyjne od twierdzeń teoretycznych. Tutaj termin „obserwacyjny” jest używany w dość silnym znaczeniu, oznacza coś w rodzaju „wyrażalny w języku przedmiotów codziennego użytku” lub „sprawdzalny za pomocą ludzkich zmysłów”. Na przykład: „Ten detektor wyświetli liczbę 5228” jest twierdzeniem obserwacyjnym. Zdaniem pozytywistów nie możemy zrozumieć twierdzeń nie-obserwacyjnych w oderwaniu od ich konsekwencji obserwacyjnych: powiedzieć na przykład „atomy składają się z elektronów i protonów” to powiedzieć tyle, co „jeśli dokonam tego pomiaru, to otrzymam ten wynik, jeśli dokonam tamtego pomiaru, to otrzymam tamten wynik... ”. W rezultacie treść teorii naukowej to po prostu zbiór twierdzeń obserwacyjnych, jakie ona czyni: reszta teorii jest tylko narzędziem obliczeniowym umożliwiającym przejście od jednego zestawu obserwacji do drugiego.

Pozytywizm zauroczył filozofów na początku XX wieku – a niektórych fizyków uwodzi nawet dzisiaj – tym, że odrzucił jako bezsensowne wszelkie twierdzenia dotyczące teorii, które nie mają konsekwencji eksperymentalnych. W szczególności wykluczył silne niedookreślenie, dekretując: jeśli dwie teorie dostarczają tych samych twierdzeń obserwacyjnych, są jedną teorią – a tylko inaczej przedstawioną. Pozytywizm pozwala nam przebić się przez werbalny zamęt i dotrzeć do rzeczywistych, naukowych pytań.