Najwyższy ideał nauk ścisłych to poznać co jest prawdziwe i pewne, odsuwając przy tym spekulacje i wymysły. Dobrze udało się ten ideał zrealizować w najważniejszych teoriach fizycznych w historii. Po pierwsze, teoria taka pozwala obliczyć i przewidzieć szereg nieznanych faktów, których nie moglibyśmy poznać w inny sposób, co upewnia nas, że faktycznie teoria odpowiada pewnym prawdziwym zależnościom między wielkościami. Ta sama własność pozwala również na rozwój technologii - gdyż możemy dokładnie obliczyć jak będzie działać dane urządzenie i dobrać idealne parametry i projekt.
Po drugie, zdarzało się, że nawet gdy postęp fizyki doświadczalnej zmusił teorię do modyfikacji, ta była na tyle precyzyjnie i uważnie sformułowana, że nadal zachowała poprawność w swoim zakresie poprawności; jedynie okazując się szczególnym przypadkiem teorii bardziej ogólnej i dokładnej. Oto więc dobra teoria fizyczna realizuje najlepszy wzorzec wiedzy naukowej nie tylko dając nam wielkie poznanie świata, ale upewniając również, że jej treść w całości jest prawdziwa (a nie tylko zawiera ziarno prawdy).
Ta ostatnia cecha jest kluczowa dla postępu fizyki: redukuje marnotrawstwo i szukanie po omacku. Jedna prosta, prawdziwa teoria w jasny sposób toruje drogę kolejnym teoriom, bardziej złożonym i dokładnym, stając się ich budulcem i fundamentem - i tworząc wzorzec ściśle inkrementalnego wzrostu wiedzy. Ten wzorzec nie był jednak zawsze realizowany: wśród tych, którzy go realizowali można wskazać Newtona, Eulera czy Ampere. Odejść zaś od niego łatwo nie zachowując dostatecznej precyzji myśli. Mieszano bowiem teorię fizyczną ze spekulacjami i ideologią, skutkiem czego rósł wokół teorii bagaż dalekosiężnych spekulacji, zacierając przy tym coraz bardziej granicę między fizyką, a nie-fizyką i kierując przez to fizykę na błędne tory.
Pytanie o szczegóły metody fizyki jest więc ważne. Liczni autorzy lubią podkreślać, że “nauka opiera się na doświadczeniu” ale to wiele nie pomaga. Prawie wszystkie dociekania ludzkie opierają się jakoś na doświadczeniu. Liczy się raczej sposób, w jaki ta, czy inna dziedzina się opiera na doświadczeniu. W fizjologii badacz zajmuje się zestawem faktów i relacji łączących obiekty, które bezpośrednio obserwuje. Np. połączenia nerwowe dłoni pozwalają pacjentowi ruszać palcami, a jeśli połączenia te będą przerwane to pacjent straci czucie i władzę w palcach. W fizyce jednak nie sposób postępować tak samo. Fizyk przez złożone i wysoce abstrakcyjne konstrukcje przypisuje zjawiskom liczby i symbole, po to by połączyć te symbole w równania opisujące rzeczywiste prawa natury. Fizjolog nie spodziewa się znaleźć praw tego samego rodzaju i nie idzie też w ślady fizyka, gdy fizyk zakłada, że odkryte przezeń prawa są niezmienne i obowiązują uniwersalnie w całym świecie. Ciało pacjenta to system bardzo złożony i w części niezrozumiały, a leczenie wymaga także podejmowania decyzji w obliczu niepewności i ryzyka.
Reasumując, by osiągnąć eksplozywny postęp, fizyka wypracowała pewną głęboką odmienność od innych nauk przyrodniczych: jedne aspekty metodologii spotkała wielka rozbudowa, inne zaś usunięto w cień. Oto najważniejsze zagadnienia metodologiczne fizyki:
Jak tworzone są wielkości fizyczne?
Co to jest teoria fizyczna, co jest jej składnikiem, a co nie?
Jak i dlaczego teoria fizyczna może być uzasadniona przez doświadczenie?
Jak i dlaczego teoria fizyczna może być zastosowana do opisu zjawisk?
Jest jasne, że odpowiedź nie jest prosta i że jest również bardzo istotna. Żadna starożytna kultura nie wytworzyła zaawansowanej fizyki, a ci nieliczni którym udał się jakiś postęp prędko utknęli. Równocześnie inne nauki rozwijały się bardzo dobrze. Skąd więc narodziła się fizyka? Oto parę kluczowych zasad czy obserwacji, które odpowiadają na powyższe zagadnienia i które utorowały jej drogę.
Po pierwsze: wielkość fizyczna jest zestawem abstrakcyjnych analogiii i założeń. Owszem, niektóre wielkości można stworzyć trywialnie, jako miary długości, wagi, kąta itd, co udało się już starożytnym i zostało zaadaptowane przez starożyną naukę. Inne jednak nie: np. temperatura jest konstrukcją pewnych zbiorów (klas równoważności) ciał tak samo ciepłych, którym przypisuje się liczbę w taki sposób, że ciała gorętsze mają większą liczbę niż wszystkie ciała od nich chłodniejsze. Pojęcie “cieplejsze”, “gorętsze” wymaga dalej hipotezy, że ciała w kontakcie ze sobą zbliżają się do tej samej temperatury według relacji proporcjonalności, pomiar temperatury wymaga zaś przyjęcia jeszcze innych procesów fizycznych (np. rozszerzalność cieplna). Tak oto wielkość fizyczna jest abstrakcyjną interpretacją teoretyczną.
Po drugie: teoria fizyczna w swojej najlepszej formie jest opisem porządku między mierzonymi wielkościami: masą a siłą grawitacji, ciśnieniem, a temperaturą itd. Tak sformułowane teorie odkrywają to, co pewne i potrzebne bez zbytecznych dodatków. Szukanie obrazów,wyjaśnień i intuicji na gruncie teorii nie jest skuteczne, co widać po tym, że wiele razy takie wyjaśnienia i obrazy zostały obalone, gdy tylko postęp fizyki eksperymentalnej doprowadził do modyfikacji teorii.
Po trzecie: dowolna teoria spełniająca powyższy warunek jest dopuszczalna, o ile tylko jest potwierdzona przez doświadczenie. Każde prawo fizyczne bowiem może być zmodyfikowane na wiele sposobów (przez zmianę parametrów, modyfikację równań), tworząc wielką liczbę podobnych praw. Tylko doświadczenie (tj. dokładne predykcje) może rozsądzić, która z tych teorii jest poprawna. Żadne teorie fizyki nie są koniecznością logiczną, ani też nie wynikają z samego rozumu, wbrew opinii np. filozofów oświecenia.
Po czwarte: teoria fizyczna opisuje porządek uniwersalny i niezmienny w czasie. Inaczej mówiąc: teoria fizyczna działa w każdym miejscu i w każdym punkcie czasu tak samo. Interpretując na gruncie teorii pewne zjawisko i potwierdzając poprawność naszego opisu przez dokładne predykcje, wiemy, że identyczne zjawisko gdzie indziej też może być tak samo opisane. Mając na uwadze ograniczoną dokładność i umowny charakter teorii nie należy sądzić, że teoria fizyczna zadziała tak samo dobrze w innej skali, dla innych zjawisk i z większą precyzję pomiaru. Historia nauki pokazała wiele razy, że takie założenie nie musi być prawdziwe i wymaga przetestowania przez doświadczenie w każdym konkretnym wypadku.
Oto są fundamenty metodologiczne fizyki. Skąd się one wzięły? Nie ma żadnego innego źródła tych tez niż teologia scholastyczna i powiązana z nią filozofia, którą dalej przejęli architekci nauki XVII-XVIII wiecznej.
Ad. 1. Według Biblii (Mdr. 11) Bóg wszystko uczynił “według miary liczby i wagi”, co wyraźnie pomaga rozważać wszelkie zjawiska w analogii do miary i wagi. Scholastycy XIII i XIV wieku zastępują jakościowe formy abstrakcyjnymi wielkościami (KZ 48), rozważając np. ilości ciepła, ilości ruchu, pochodne wielkości po czasie itd. Zrywa to arystotelesową zasadę, że jedyne istotne wielkości w naturze to takie naturalnie istniejące: jak długość, czy objętość. Oresme rozwija prymitywny graficzny rachunek różniczkowy i całkowy i stosuje go do kinematyki (KZ 75), a Buridan opisuje teorię impetu - “ilości ruchu”(KZ 66).
Ad. 2, 3. Objawienie wskazuje, że Bóg stworzył uporządkowany i zrozumiały świat, ale zarazem wskazuje też drugą zasadę, stawiającą tamę zbytniej ufności w rozumowe spekulacje. Jest nią teza o przygodności: jeśli wyobrazimy sobie dowolny niesprzeczny zestaw praw fizyki, to może istnieć wszechświat, który takie prawa realizuje (bo Bóg mógłby go stworzyć). W efekcie: prawie żadne spójne hipotezy nie są niemożliwe a priori, a żadne prawa natury nie są konieczne i nie są udowodnione samym tylko rozumem bez doświadczenia. Zasada ta pod koniec XIII wieku (KZ 46) pozwoliła scholastykom na głęboką modyfikację fizyki Arystotelesa, jak również na zerwanie z wierzeniami starożytnego poganizmu (wiarą w organiczny, ożywiony świat, wiarą w wieczne powtarzanie się wszystkich wydarzeń, wpływem ciał niebieskich na wydarzenia na ziemi).
Ad. 4. Biblia (Syr 16) wskazuje, że uporządkowanie świata jest niezmienne i uniwersalne i odróżnia porządek nieożywiony od istoty żywych. Na tej obserwacji, na tym, że Bóg istnieje poza światem stworzonym i na wierze w racjonalne uporządkowanie stworzenia oparli się żyjący w VIw. chrześcijanin Jan Filopon i Jan Buridan (XIV w.). Rozwinęli doktrynę, że niebiosa rządzą się identycznymi prawami jak rzeczy ziemskie (wbrew typowym poglądom pogan), a Bóg przy stworzeniu uporządkował i puścił w ruch ciała niebieskie nadając im “ilość ruchu”. Motyw racjonalnego Stwórcy, który wszystko uporządkował z finezją pojawia się dalej u nowożytnych naukowców, np. Newtona (KZ 80), a także Eulera i Maupertuisa (KZ 86), którzy uzasadniają nim swoje odkrycie zasady wariacyjnej. Jednocześnie wpływ tezy o przygodności chroni teorię przed spekulacjami, które nie wynikają z doświadczenia i z powyższej metody (np. u Newtona - KZ 83).
Oto jedyne źródła metody naukowej fizyki. Alternatywy nie ma, bowiem inne dominujące nurty filozofii zainteresowanej fizyką okazują się być błędne w opisie fizyki: oświeceniowy mechanicyzm przypisywał absolutną wartość prawom mechaniki, nie spodziewając się, że powstanie wiele innych teorii fizycznych niż mechanika. Pozytywizm usiłował udowodnić jedność metody naukowej wszystkich nauk, nie uznając odmienności metody fizyki.
Mechanicyzm jest głównie dziełem d’Alemberta i Laplace’a, ze sporym udziałem niewyrafinowanej naukowo nurtów literatury oświeceniowej (Voltaire, Diderot, d’Holdbach itd). Postulowano, że prawa mechaniki wynikają z samego rozumu i wszelkie zjawiska rządzone są właśnie prawami mechaniki. Miał być im nawet poddany człowiek ze swoimi decyzjami i myślami, nie było miejsca na oddzielenie porządku mechaniki od ludzi czy istot żywych (jak Ad. 4). Oczywisty staje się więc fałszywy pogląd, że tym bardziej wszystkie zjawiska fizyki wynikają z praw mechaniki. Pogląd ten został gruntownie obalony na początku XX wieku, razem z bogatą spuścizną mechanicznej nauki, usiłującej wszystko tłumaczyć na gruncie interakcji materialnych kulek. Już jego wcześniejsze wpływy dowodzą, że był zmianą na gorsze: teoria elektromagnetyczna (np. prawo Ampera) nie łączy się bowiem w żaden prosty sposób z prawami mechaniki i to samo tyczy się zasady wariacyjnej, zdumiewającego odkrycia XVIII w. które odgrywa kluczową rolę w fizyce teoretycznej po dziś dzień. Nic wiec dziwnego, że ich odkrywcy są w przeważającej większości głęboko wierzącymi chrześcijanami. Są to Fermat, Euler i Maupertuis (dla zasady wariacyjnej), a także Ampere, Volta, Galvani, Gauss, Fresnel, Orsted, Ohm, Faraday i Maxwell (dla teorii elektromagnetycznej).
Kolejnym nurtem, istniejącym od połowy XIX wieku jest pozytywizm. Pozytywizm, podobnie do mechanicyzmu, wyrósł na gruncie zachwytu nad nauką swoich czasów (głównie teorią elektromagnetyczną, której odkrywców już wymieniliśmy). Już od początku (Comte) towarzyszy mu uroszczenie, by wszelkie dziedziny wiedzy przemodelować na sposób tzw. naukowy, tak jak własnie naukowa jest fizyka; w szczególności filozofia tzw. naukowa ma zastąpić teologię i filozofię. Idą za tym próby usunięcia głębokiej odmienności fizyki, co dalej powoduje:
odrzucenie większości metod opisanych wyżej,
usiłowanie sprowadzenia fizyki do zajmowania się prostymi faktami doświadczenia
usiłowanie sprowadzenia dziedzin zajmujących się systemami złożonymi do odkrywania “praw natury” (których to praw na ogół nie ma).
Środki, jakie do tego wypracowano, to tzw. zasada indukcji i “analizy logiczne” języka. By przytoczyć tą pierwszą przypomnijmy, że dla scholastyka i dla fizyka nowożytnego istnieje uporządkowanie natury “według miary, liczby i wagi” , ale jedynie natury nieożywionej. Co więcej tylko w ramach zasad wyżej opisanych można ewentualnie znaleźc jakieś prawa natury. Dla pozytywisty I. poł XX wieku powtarzalność jakichkolwiek obserwacji gdziekolwiek pozwala sformułować ogólne prawo, które pozwala przewidzieć zjawiska przyszłe - to właśnie jest “zasada indukcji” w rozumieniu pozytywisty. Zasady indukcji nigdy nie udało się im uzasadnić, łatwo z resztą wykazać, że jest fałszywa (np. Popper 23), bo nie zawsze wcześniejsze zachowanie systemu przewiduje w jakkolwiek użyteczny sposób zachowanie przyszłe (nawet w fizyce). Co więcej, wiara w ten błędny pogląd powoduje nadal różne katastrofalne skutki, o czym pisał np. Nassim Taleb w kontekście kryzysów finansownych (Taleb).
Co do “analiz logicznych” pozytywiści atakowali różne dziedziny (a szczególnie metafizykę) jako “nonsens” tj bezrozumne zlepki słów, na gruncie teorii znaczenia, głoszących że tylko zdania odnoszące się do widzialnych obiektów i faktów mają znaczenie. Ma to parę istotnych problemów. Po pierwsze, nieuchronnym wynikiem tych analiz, było, że fizyka to również “nonsens”, bo nie da się wprowadzić wielkości fizycznej bez zerwania tego kryterium (patrz punkt 1.). Wielkość fizyczna jest złożoną interpretacją teoretyczną doświadczenia, której rzeczywista przydatność wynika dopiero z testów samej teorii przez istotne predykcje - jest więc “nonsensem”. Do wniosku, że fizyka to też nonsens doszli pozytywiści również usiłując uzasadnić zasadę indukcji (Popper 30), co jest ściśle związane z kryterium sensowności. Te dwa problemy wydają się prowadzić pozytywistów do głębokiego niezrozumienia filozofii Duhema, na którego otwarcie się oni powołują np. w manifescie Koła Wiedeńskiego. Różnicę tę można opisać następująco: pozytywista uwaza, że pojedyncze wrażenia zmysłowe można jednoznacznie zinterpretować jako fakty, a ciąg podobnych faktów jako teorie (przez prawo indukcji): ta kusząca z punktu widzenia zdrowego rozsądku hipoteza okazuje się jednak bardzo prymitywna i ograniczona w fizyce i zasadniczo błędna w badaniu systemów złożonych. Duhem twierdzi inaczej: po pierwsze, pojedyncze doświadczenie fizyczne nie może być zinterpretowane jako fakt. Znany jest wynik zwany problemem Duhema: jeśli jest jakiś konflikt teorii fizycznej i doświadczenia, nie jest od razu jasne, co obalono, bo błąd w starej interpretacji teoretycznej nie podaje od razu nowej interpretacji. Ale to nic nie szkodzi: świat fizyki jest zrozumiały, gdyż istnieje niezmienny i uniwersalny porządek świata. Proces kolejnych doświadczeń i kolejnych modyfikacji teorii pozwala zbudować dokładną teorię, która uwzględnia wszelkie nowe zjawiska. Typowy pozytywista nie może jednak przyjąć, że istnieje niezmienny i uniwersalny porządek świata: bo to znaczy, że fizyka jest inna od pozostałych nauk i dlatego, że to metafizyka, czyli “nonsens”. Musi więc skierować swoją filozofię fizyki na ciemne i wypaczone tory.
Drugim problemem kryterium znaczenia jest, że wspomnianej teorii znaczenia nigdy nie udało się zbudować. Najlepszym kandydatem był “Tractatus” Wittgensteina: zdania elementarne, wyrażające rodzaj pojedynczych faktów miały być wpasowane w pewną znaną strukturę logiczną. Autor jednak nie podał żadnych zdań elementarnych, a niedługo okazało się również (Sady), że i zaproponowana struktura logiczna języka wcale nie jest spełniona. Wittgenstein porzucił więc projekt, a w kolejnej książce całkowicie z nim zerwał.
“Porządek i Przygodność”, Krystian Zawistowski www.kzaw.pl
“General Scholium” Isaac Newton.
“Logika odkrycia naukowego” Karl Popper, Aletheia 2002
“Why did 2008’ Financial Crisis happen” Nassim Taleb
“ISTOTA I ZNACZENIE METODY POZYTYWNEJ”, Wykład 1. Auguste COMTE, https://sady.up.krakow.pl/filnauk.comte.wyklady.htm
“Wstęp do Dociekań Filozoficznych”, https://sady.up.krakow.pl/sady.witt.df.htm